устройство для обработки выхлопных газов

Формула изобретения

1. Установочный мат для устройства для обработки выхлопного содержит:

неорганические волокна;

органический связующий материал;

противоокислитель и разбухающий материал.

2. Установочный мат по п.1, в котором неорганические волокна выбраны из группы, в которую входят имеющие высокое содержание оксида алюминия поликристаллические волокна, волокна из муллита, керамические волокна, стекловолокна, биорастворимые волокна, кварцевые волокна, волокна из диоксида кремния, и их комбинации.

3. Установочный мат по п.2, в котором имеющие высокое содержание оксида алюминия поликристаллические волокна содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 72 до 100 вес.% оксида алюминия и ориентировочно от 0 до 28 вес.% диоксида кремния.

4. Установочный мат по п.2, в котором керамические волокна содержат волокна из оксида алюминия - диоксида кремния, которые содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 45 до 72 вес.% оксида алюминия и ориентировочно от 28 до 55 вес.% диоксида кремния.

5. Установочный мат по п.2, в котором биорастворимые волокна содержат волокна из оксида магния - диоксида кремния, которые содержит продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 65 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 35 вес.% оксида магния и около 5 вес.% или меньше примесей.

6. Установочный мат по п.5, в котором волокна из оксида магния - диоксида кремния содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 70 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 30 вес.% оксида магния и около 5 вес.% или меньше примесей.

7. Установочный мат по п.6, в котором волокна из оксида магния - диоксида кремния содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 70 до 80 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 18 до 27 вес.% оксида магния и от 0 до 4 вес.% примесей.

8. Установочный мат по п.2, в котором биорастворимые волокна содержат волокна из оксида кальция - оксида магния - диоксида кремния, которые содержат продукт волокнообразования, содержащий ориентировочно от 45 до 90 вес.% диоксида кремния, больше чем от 0 до 45 вес.% оксида кальция, и от больше чем 0 до 35 вес.% оксида магния.

9. Установочный мат по п.8, в котором волокна из оксида кальция - оксида магния - диоксида кремния содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 60 до 70 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 16 до 35 вес.% оксида кальция и ориентировочно от 4 до 19 вес.% оксида магния.

10. Установочный мат по п.9, в котором волокна из оксида кальция - оксида магния - диоксида кремния содержат продукт волокнообразования, содержащий ориентировочно от 61 до 67 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 27 до 33 вес.% оксида кальция и ориентировочно от 2 до 7 вес.% оксида магния.

11. Установочный мат по п.1, который содержит разбухающий материал, выбранный из группы, в которую входят нерасправленный вермикулит, ионообменный вермикулит, термообработанный вермикулит, расширяемый графит, гидробиотит, разбухающая в воде тетракремнистая порошковая слюда, силикаты щелочного металла, или их смеси.

12. Установочный мат по п.11, в котором разбухающий материал содержит нерасправленный вермикулит.

13. Установочный мат по п.1, в котором противоокислитель выбран из группы, в которую входят первичные противоокислители, вторичные противоокислители, многофункциональны противоокислители, и их комбинации.

14. Установочный мат по п.1, в котором неорганические волокна содержат волокна из оксида магния - диоксида кремния, причем разбухающий материал содержит вермикулит, а противоокислитель содержит смесь первичных и вторичных противоокислителей.

15. Установочный мат по п.14, который содержит ориентировочно от 25 до 100 вес.% волокон из оксида магния - диоксида кремния, ориентировочно от 1 до 30 вес.% вермикулита и ориентировочно от 0.1 до 10 вес.% противоокислителя.

16. Установочный мат по п.1, который дополнительно содержит глину.

17. Установочный мат по п.16, в котором глина выбрана из группы, в которую входят аттапульгит, комовая глина, бентонит, гекторит, кианит, каолинит, монтмориллонит, палыгорскит, сапонит, сепиолит, силиманит или их комбинации.

18. Установочный мат по п.17, в котором глина представляет собой аттапульгит.

19. Устройство для обработки выхлопного газа, которое содержит:

корпус;

хрупкую структуру, упруго установленную внутри корпуса; и

установочный мат по любому из пп.1-18, расположенный в зазоре между корпусом и хрупкой структурой.

20. Устройство для обработки выхлопного газа по п.19, которое представляет собой каталитический дожигатель выхлопных газов или сажеуловитель дизельного двигателя.

21. Концевой конус для устройства для обработки выхлопного газа, который содержит:

внешний металлический конус; и

внутренний металлический конус, содержащий конусную изоляцию, расположенную между указанными внешним и внутренним металлическими концевыми конусами; или

самоподдерживающуюся конусную изоляцию, которая содержит неорганические волокна, органический связующий материал и противоокислитель и разбухающий материал, расположенную поблизости от внутренней поверхности указанного внешнего металлического концевого конуса.

22. Концевой конус по п.21, в котором конусная изоляция дополнительно содержит по меньшей мере глину или разбухающий материал.

Описание изобретения к патенту

Область применения изобретения

Настоящее изобретение имеет отношение к созданию устройства для обработки выхлопных (отработавших) газов, такого как каталитический дожигатель выхлопных газов или сажеуловитель дизельного двигателя. Указанное устройство содержит хрупкую структуру, установленную внутри корпуса с использованием установочного мата, который расположен в зазоре между корпусом и хрупкой структурой.

Предпосылки к созданию изобретения

Устройства для обработки выхлопных газов используют в автомобилях для снижения загрязнения атмосферы выбросами выхлопных газов двигателей автомобилей. В качестве примеров широко используемых устройств для обработки выхлопных газов можно привести каталитический дожигатель выхлопных газов и сажеуловитель дизельного двигателя.

Каталитический дожигатель выхлопных газов, предназначенный для обработки выхлопных газов автомобильного двигателя, содержит корпус, опорную структуру (конструкцию) хрупкого катализатора, предназначенную для поддержки катализатора, который используют для осуществления окисления угарного газа и углеводородов и снижения содержания оксидов азота, и установочный мат, расположенный между внешней поверхностью опорной структуры хрупкого катализатора и внутренней поверхностью корпуса, для упругой поддержки опорной структуры хрупкого катализатора внутри корпуса.

Сажеуловитель дизельного двигателя, предназначенный для снижения загрязнения, созданного дизельными двигателями, обычно содержит корпус, хрупкий порошковый фильтр или уловитель для накопления частиц выбросов дизельного двигателя и установочный мат, расположенный между внешней поверхностью фильтра или уловителя и внутренней поверхностью корпуса, для упругой поддержки структуры (конструкции) хрупкого фильтра или уловителя внутри корпуса.

Хрупкая структура обычно представляет собой монолитную структуру. изготовленную из хрупкого металла или хрупкого керамического материала, такого как оксид алюминия, диоксид кремния, оксид магния, диоксид циркония, кордиерит, карбид кремния и т.п. Из этих материалов образуют структуру типа каркаса с множеством газовых каналов. Эти монолитные структуры являются такими хрупкими, что даже небольшие ударные нагрузки часто являются достаточными, чтобы создать в них трещины или их разрушить. Для защиты хрупкой структуры от термических и механических ударов и других указанных выше нагрузок, а также для создания тепловой изоляции и газонепроницаемого уплотнения используют установочный мат, расположенный в зазоре между хрупкой структурой и корпусом.

Материалы, из которых изготовлен установочный мат, должны удовлетворять любым из ряда проектных или физических требований, заданных фирмами-изготовителями хрупкой структуры или фирмами-изготовителями устройства для обработки выхлопного газа. Например, материал установочного мата должен оказывать эффективное остаточное удерживающее давление на хрупкую структуру, даже когда устройство для обработки выхлопного газа подвергается широким флуктуациям температуры, которые вызывают существенное расширение и сжатие металлического корпуса относительно хрупкой структуры, что в свою очередь создает циклы существенного сжатия и освобождения установочных матов в течение времени.

Керамические и металлические подложки, которые используют в устройстве для обработки выхлопных газов, чаще всего устанавливают внутри металлического корпуса с использованием установочного мата, изготовленного на базе неорганического волокна. Такой материал установочного мата может иметь только неорганические волокна. Однако материал установочного мата также может иметь другие типы волокон, органические связующие материалы, неорганические связующие материалы и разбухающие материалы.

Установочный мат должен работать в широком диапазоне рабочих температур, чтобы эффективно поддерживать структуру в заданном положении. К подложкам приложены осевые усилия, возникающие за счет вибраций. Установочный мат также должен компенсировать большее или меньшее расширение металлического корпуса по сравнению с самой подложкой. Различные устройства для обработки выхлопных газов работают в диапазоне температур от 20°С (температура окружающей среды) до 1200°С. Поэтому установочный мат должен обеспечивать надежное давление удержания в этом широком диапазоне температур.

Так как области применения при низких температурах становятся все более распространенными за счет более эффективной конструкции двигателя или роста популярности дизельных двигателей, желательно иметь установочные маты, которые хорошо работают как при низких, так и при высоких температурах.

В случае работающих при низких температурах устройств для обработки выхлопного газа, таких как сажеуловители дизельных двигателей или каталитические структуры дизельных двигателей, в которых температуры не доходят до температур высокотемпературных каталитических дожигателей выхлопных газов, вес хрупкой структуры и использованная техника приложения нагрузки требуют, чтобы установочный мат прикладывал эффективное остаточное минимальное давление удержания. В этих областях применения необходимо обеспечивать более высокую минимальную прочность на сдвиг (сопротивление сдвигу) установочного мата, которая составляет по меньшей мере около 25 кПа и преимущественно предотвращает перемещение и повреждение хрупкой структуры. Коэффициент трения таких матов в указанных применениях с высокой G нагрузкой в случае тяжелых подложек все еще составляет около 0.45 в рабочем состоянии. Таким образом, установочный мат для таких областей применения должен иметь эффективное остаточное минимальное давление удержания после 1000 циклов испытаний при температуре около 300°С, составляющее по меньшей мере около 50 кПа.

В областях применения при низких температурах, таких как дизельный двигатель с прямым впрыском и с турбонагнетателем (TDI), температура выхлопа типично составляет около 150°С и никогда не превышает 300°С. Было обнаружено, что в этом случае каталитические дожигатели выхлопных газов, которые собраны с использованием типовых разбухающих матов, выходят из строя с неожиданно высокой частотой.

Одной из причин таких отказов является то, что температура выхлопа является слишком низкой для расширения разбухающего материала, типично содержащего частицы вермикулита. Это наблюдается даже в дожигателях с предварительным подогревом до 500°С, чтобы произвести предварительное расширения разбухающих частиц. При последующем использовании в областях применения при низких температурах маты не обеспечивают приложение достаточного давления к хрупкой структуре, в результате чего возникают отказы. При температурах свыше 350°С разбухающие частицы расширяются и повышают усилие удержания мата, приложенное к хрупкой структуре.

Гибкость мата достигается за счет пропитки установочного мата различными органическими связующими материалами. Однако устройства для обработки выхлопных газов имеют плохие характеристики в области низких температур (<300°С) за счет присутствия органического связующего материала в мате, который разлагается и приводит к потере удерживающей силы. От комнатной температуры до 200°С потеря удерживающей силы является постепенной. Однако потеря удерживающей силы становится быстрой в диапазоне ориентировочно от 200°С до 250°С.

Уже были предприняты попытки улучшения низкотемпературных характеристик материалов установочного мата для устройств для обработки выхлопных газов. Одна такая попытка предусматривает введение расширяющихся частиц в установочный мат, которые расширяются (то есть увеличиваются в объеме) в диапазоне температур, в котором органический связующий материал оказывает отрицательное влияние. К сожалению, такие расширяющиеся частицы продолжают расширяться при температурах, которые выше температур, при которых органические связующие материалы оказывают отрицательное влияние на характеристики мата.

Что необходимо в промышленности, так это гибкий установочный мат для устройств для обработки выхлопных газов, который может быть легко установлен и который может работать в широком диапазоне входных температур газа, без существенной потери толщины мата и соответствующего снижения давления удержания.

Сущность изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается установочный мат для устройства для обработки выхлопного газа, который содержит неорганические волокна, органический связующий материал, противоокислитель и, возможно, разбухающий материал.

В соответствии с некоторыми вариантами установочный мат для устройства для обработки выхлопного газа содержит неорганические волокна, органический связующий материал, глину, противоокислитель и, возможно, разбухающий материал.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также устройство для обработки выхлопного газа, которое содержит корпус, опорную структуру хрупкого катализатора, упруго установленную внутри указанного корпуса, и установочный мат, расположенный в зазоре между указанным корпусом и указанной хрупкой структурой, причем указанный установочный мат содержит неорганические волокна, органический связующий материал, противоокислитель и, возможно, разбухающий материал.

В соответствии с некоторыми вариантами устройство для обработки выхлопного газа содержит корпус, опорную структуру хрупкого катализатора, упруго установленную внутри указанного корпуса, и установочный мат, расположенный в зазоре между указанным корпусом и указанной хрупкой структурой, причем указанный установочный мат содержит неорганические волокна, органический связующий материал, глину, противоокислитель и, возможно, разбухающий материал.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ изготовления устройства для обработки выхлопного газа, причем указанный способ предусматривает (а) намотку установочного мата, который содержит (1) неорганические волокна, (2) органический связующий материал, (3) противоокислитель и (4), возможно, разбухающий материал вокруг участка хрупкой структуры, адаптированной для обработки выхлопных газов; и (b) размещение обмотанной хрупкой структуры внутри корпуса, за счет чего установочный мат упруго удерживает хрупкую структуру внутри корпуса.

В соответствии с некоторыми вариантами, способ изготовления устройства для обработки выхлопного газа предусматривает (а) намотку установочного мата, который содержит (1) неорганические волокна, (2) органический связующий материал, (3) глину, (4) противоокислитель и (5), возможно, разбухающий материал, вокруг участка хрупкой структуры, адаптированной для обработки выхлопных газов; и (b) размещение обмотанной хрупкой структуры внутри корпуса, за счет чего установочный мат упруго удерживает хрупкую структуру внутри корпуса.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также концевой конус для устройства для обработки выхлопного газа, который содержит внешний металлический конус; внутренний металлический конус; и конусную изоляцию, расположенную между указанными внешним и внутренним металлическими концевыми конусами, причем указанная конусная изоляция содержит неорганические волокна, органический связующий материал, противоокислитель и, возможно, разбухающий материал.

В соответствии с некоторыми вариантами концевой конус для устройства для обработки выхлопного газа содержит внешний металлический конус; внутренний металлический конус; и конусную изоляцию, расположенную между указанными внешним и внутренним металлическими концевыми конусами, причем указанная конусная изоляция содержит неорганические волокна, органический связующий материал, глину, противоокислитель и, возможно, разбухающий материал.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также концевой конус для устройства для обработки выхлопного газа, который содержит внешний металлический конус; самоподдерживающуюся (автономную) конусную изоляцию, которая содержит неорганические волокна, противоокислитель и, возможно, разбухающий материал, расположенную рядом с внутренней поверхностью указанного внешнего металлического концевого конуса.

В соответствии с некоторыми вариантами описанными со ссылкой на чертежи, концевой конус для устройства для обработки выхлопного газа содержит внешний металлический конус; самоподдерживающуюся конусную изоляцию, которая содержит неорганические волокна, глину, противоокислитель и, возможно, разбухающий материал, расположенную рядом с внутренней поверхностью указанного внешнего металлического концевого конуса.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показано фрагментарно устройство для обработки выхлопного газа, имеющее заявленный установочный мат.

На фиг.2 показан график относительного расширения заявленного разбухающего установочного мата в сравнении с известным ранее установочным матом, в функции температуры (°С).

На фиг.3 показан график деформации сдвига заявленного разбухающего установочного мата в сравнении с известным ранее установочным матом, в функции температуры (°С).

На фиг.4 показан график относительного расширения заявленного разбухающего установочного мата в сравнении с известным ранее установочным матом, в функции температуры (°С).

На фиг.5 показан график деформации сдвига заявленного разбухающего установочного мата в сравнении с известным ранее установочным матом, в функции температуры (°С).

Подробное описание изобретения

В соответствии с настоящим изобретением предлагается установочный мат для устройства для обработки выхлопного газа. Установочный мат содержит по меньшей мере один слой или лист, который содержит жаростойкие неорганические волокна, органический связующий материал и противоокислитель. В соответствии с некоторыми вариантами установочный мат может содержать глину и/или разбухающий материал. С удивлением было обнаружено, что введение противоокислителя в установочный мат снижает (уменьшает) отрицательное расширение мата при температурах 350°С и ниже. Установочный мат обеспечивает улучшенную характеристику давления удержания в широком диапазоне температур.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также устройство для обработки выхлопных газов. Заявленное устройство содержит внешний металлический корпус, по меньшей мере одну хрупкую структуру, которая установлена внутри корпуса при помощи установочного мата, который расположен между внутренней поверхностью корпуса и внешней поверхностью хрупкой структуры. Под "хрупкой структурой" понимают такую структуру, как металлическая или керамическая монолитная структура (конструкция), которая может быть хрупкой по своей природе и установку которой преимущественно осуществляют при помощи заявленного установочного мата.

Структура катализатора обычно содержит одну или несколько пористых трубчатых или сотовых структур, установленных при помощи термостойкого материала внутри корпуса. Каждая такая структура содержит ориентировочно от 200 до 900 или больше каналов или ячеек на квадратный дюйм, в зависимости от типа устройства для обработки выхлопных газов. Сажеуловитель дизельного двигателя отличается от структуры катализатора тем, что каждый канал (или ячейка) внутри сажеуловителя дизельного двигателя закрыт на одном или другом конце. Частицы из выхлопных газов накапливаются в пористой структуре до тех пор, пока они не будут регенерированы за счет высокотемпературного процесса сгорания. Не связанные с автомобилями области применения установочного мата могут предусматривать использование каталитического дожигателя отходящих газов для дымовых труб в химической промышленности.

Одно из возможных устройств 10 для обработки выхлопных газов показано на фиг.1. Однако следует иметь в виду, что установочный мат может быть использован не только в устройстве, показанном на фиг.1, которое приведено только в качестве примера. Установочный мат может быть использован для установки или поддержки любой хрупкой структуры, предназначенной для обработки выхлопных газов, такой как структура катализатора дизельного двигателя, сажеуловитель дизельного двигателя и т.п.

Каталитический дожигатель 10 выхлопных газов может иметь трубчатый корпус 12, образованный двумя металлическими деталями, например деталями из термостойкой стали, которые соединены вместе при помощи фланца 16. Альтернативно, корпус может быть выполнен в виде предварительно отформованного контейнера, в который вводят хрупкую структуру, обмотанную установочным матом. Корпус 12 имеет впуск 14 на одном конце и выпуск (не показан) на своем противоположном конце. Впуск 14 и выпуск на своих внешних концах имеют соответствующую конфигурацию, позволяющую их соединять с трубками в системе выпуска (выхлопа) двигателя внутреннего сгорания. Устройство 10 содержит хрупкую структуру, такую как хрупкий керамический монолит 18, который поддерживается внутри корпуса 12 при помощи установочного мата 20. Монолит 18 имеет множество газовых каналов, которые идут по оси от его входной торцевой поверхности на одном конце до выходной торцевой поверхности на его противоположном конце. Монолит 18 может быть изготовлен из любого подходящего тугоплавкого металла или керамического материала любым известным способом и может иметь любую подходящую конфигурацию. Монолит обычно имеет овальное или круглое поперечное сечение, но возможны и другие его конфигурации.

Монолит смещен от внутренних поверхностей корпуса на определенное расстояние или имеет зазор относительно внутренних поверхностей корпуса, который может изменяться в зависимости от типа и конструкции использованного устройства, которым может быть, например, каталитический дожигатель выхлопных газов, структура катализатора дизельного двигателя или сажеуловитель дизельного двигателя. Этот зазор заполнен установочным матом 20, чтобы создать упругую поддержку для керамического монолита 18. Упругий установочный мат 20 обеспечивает как теплоизоляцию от внешней среды, так и механическую поддержку хрупкой структуры, защищая таким образом хрупкую структуру от механических ударов в широком диапазоне рабочих температур устройства для обработки выхлопного газа.

Как правило, установочный мат содержит неорганические волокна, возможно, по меньшей мере один тип разбухающего материала, органический связующий материал, глину и противоокислитель. Композиция установочного мата 20 достаточна для того, чтобы создать давление удержания, позволяющее упруго удерживать (поддерживать) опорную структуру 18 хрупкого катализатора внутри корпуса 12 устройства 10 для обработки выхлопного газа в широком диапазоне рабочих температур.

Любые жаростойкие неорганические волокна могут быть использованы в установочном мате, при условии, что эти волокна могут выдерживать процесс формирования установочного мата, могут выдерживать рабочие температуры устройства для обработки выхлопных газов и обеспечивают минимальное давление удержания хрупкой структуры внутри корпуса устройства для обработки выхлопного газа в диапазоне рабочих температур. В качестве примеров подходящих неорганических волокон, которые могут быть использованы для приготовления установочного мата для устройства для обработки выхлопного газа, можно привести (но без ограничения) поликристаллические волокна с высоким содержанием оксида алюминия, жаростойкие керамические волокна, такие как волокна из оксида алюминия-диоксида кремния, волокна из оксида алюминия-оксида магния-диоксида кремния, волокна из каолина, щелочноземельные силикатные волокна, такие как волокна из оксида кальция-оксида магния-диоксида кремния и волокна из оксида магния-диоксида кремния, волокна из S-стекла, волокна из S2-стекла, волокна из Е-стекла, кварцевые волокна, волокна из диоксида кремния и их комбинации.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения жаростойкие неорганические волокна, которые используют для приготовления установочного мата, содержат керамические волокна. Без ограничения, подходящие керамические волокна включают в себя волокна из оксида алюминия, волокна из оксида алюминия-диоксида кремния, волокна из оксида алюминия-диоксида циркония-диоксида кремния, волокна из диоксида циркония-диоксида кремния, волокна из диоксида циркония и другие аналогичные волокна. Подходящие керамические волокна из оксида алюминия-диоксида кремния могут быть закуплены на фирме Unifrax I LLC (Niagara Falls, New York), зарегистрированная торговая марка FIBERFRAX. Керамические волокна FIBERFRAX содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 45 до 75 вес.% оксида алюминия и ориентировочно от 25 до 55 вес.% диоксида кремния. Волокна FIBERFRAX имеют рабочие температуры до 1540°С и температуру плавления 1870°С. Из волокон FIBERFRAX легко могут быть образованы стойкие при высоких температурах листы и бумаги.

Волокна из оксида алюминия/ диоксида кремния могут содержать ориентировочно от 40 вес.% до 60 вес. % Аl₂О₃ и ориентировочно от 60 вес.% до 40 вес.% SiO₂. Эти волокна могут содержать около 50 вес.% Al₂O₃ и около 50 вес.% SiO₂. Волокна из оксида алюминия/ диоксида кремния/ оксида магния типично содержат ориентировочно от 64 вес.% до 66 вес.% SiO₂, ориентировочно от 24 вес.% до 25 вес.% Аl₂O₃ и ориентировочно от 9 вес.% до 10 вес.% MgO. Волокно из Е-стекла типично содержит ориентировочно от 52 вес.% до 56 вес.% SiO₂, ориентировочно от 16 вес.% до 25 вес.% СаО, ориентировочно от 12 вес.% до 16 вес.% Аl₂О₃, ориентировочно от 5 вес.% до 10 вес.% В₂O₃, ориентировочно до 5 вес.% MgO, ориентировочно до 2 вес.% оксида натрия и оксида калия и следовые количества оксида железа и фторидов, и имеет типичную композицию, которая содержит 55 вес.% SiO₂, 15 вес.% Аl₂O₃, 7 вес.% В₂O₃ , 3 вес.% MgO, 19 вес.% СаО и следы указанных примесей.

Без ограничения, подходящие примерные биорастворимые щелочноземельные силикатные волокна, которые могут быть использованы для приготовления установочного мата для устройства для обработки выхлопного газа, включают в себя волокна, раскрытые в патентах США Nos. 6,953,757, 6,030,910, 6,025,288, 5.874,375, 5.585,312, 5,332,699, 5.714,421, 7,259,118, 7,153,796. 6,861.381. 5,955,389, 5.928,075, 5,821,183 и 5,811,360, которые включены в данное описание в качестве ссылки.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения биорастворимые щелочноземельные силикатные волокна могут содержать продукт волокнообразования смеси оксидов магния и диоксида кремния. Эти волокна обычно называют магний-силикатными волокнами. Магний-силикатные волокна обычно содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 60 до 90 вес.% диоксида кремния, от больше чем 0 до 35 вес.% оксида магния и 5 вес.% или меньше примесей. В соответствии с некоторыми вариантами термообработанные щелочноземельные силикатные волокна содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 65 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 35 вес.% оксида магния и 5 вес.% или меньше примесей. В соответствии с другими вариантами термообработанные щелочноземельные силикатные волокна содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 70 до 86 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 14 до 30 вес.% оксида магния и 5 вес.% или меньше примесей. Подходящие магний-силикатные волокна могут быть закуплены на фирме Unifrax I LLC (Niagara Falls, New York), зарегистрированная торговая марка ISOFRAX. Серийные волокна ISOFRAX обычно содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 70 до 80 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 18 до 27 вес.% оксида магния и 4 вес.% или меньше примесей.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения биорастворимые щелочноземельные силикатные волокна могут содержать продукт волокнообразования смеси оксидов кальция, магния и диоксида кремния. Эти волокна обычно называют волокнами из оксида кальция-оксида магния-диоксида кремния. В соответствии с некоторыми вариантами волокна из оксида кальция-оксида магния-диоксида кремния содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 45 до 90 вес.% диоксида кремния, от больше чем 0 до 45 вес.% оксида кальция, от больше чем 0 до 35 вес.% оксида магния и 10 вес.% или меньше примесей.

Подходящие волокна из оксида кальция-оксида магния-диоксида кремния могут быть закуплены на фирме Unifrax I LLC (Niagara Falls, New York), зарегистрированная торговая марка INSULFRAX. Волокна INSULFRAX обычно содержат продукт волокнообразования материалов, содержащих ориентировочно от 61 до 67 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 27 до 33 вес.% оксида кальция и ориентировочно от 2 до 7 вес.% оксида магния. Другие подходящие волокна из оксида кальция-оксида магния-диоксида кремния могут быть закуплены на фирме Thermal Ceramics (Augusta, Georgia), зарегистрированные торговые марки SUPERWOOL 607, SUPERWOOL 607 MAX и SUPERWOOL HT. Волокна SUPERWOOL 607 содержат ориентировочно от 60 до 70 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 25 до 35 вес.% оксида кальция, ориентировочно от 4 до 7 вес.% оксида магния и следовые количества оксида алюминия. Волокна SUPERWOOL 607 MAX содержат ориентировочно от 60 до 70 вес.% диоксида кремния, ориентировочно от 16 до 22 вес.% оксида кальция, ориентировочно от 12 до 19 вес.% оксида магния и следовые количества оксида алюминия. Волокна SUPERWOOL HT содержат около 74 вес.% диоксида кремния, около 24 вес.% оксида кальция и следовые количества оксида магния, оксида алюминия и оксида железа.

Подходящие волокна из диоксида кремния, которые могут быть использованы при изготовлении установочного мата для устройства для обработки выхлопного газа включают в себя выщелоченные стекловолокна, которые могут быть закуплены на фирме BelChem Fiber Materials GmbH, ФРГ, зарегистрированная торговая марка BELCOTEX, а также на фирме Hitco Carbon Composites, Inc. of Gardena California. зарегистрированная торговая марка REFRASIL, и на фирме Polotsk-Steklovolokno (Полоцк-Стекловолокно), Беларусь, торговая марка PS-23(R).

Волокна BELCOTEX стандартного типа обычно образуют предориентированную нить (pre-yarn) из штапельного волокна. Эти волокна имеют среднюю тонкость около 550 текс, причем их обычно изготавливают из кремниевой кислоты, модифицированной оксидом алюминия. Волокна BELCOTEX являются аморфными и обычно содержат около 94.5 вес.% диоксида кремния, около 4.5 вес.% оксида алюминия, меньше чем 0.5 вес.% оксида натрия и меньше чем 0.5 вес.% других компонентов. Эти волокна имеют средний диаметр волокна около 9 мкм и температуры плавления в диапазоне от 1500 до 1550°С. Эти волокна являются жаростойкими и выдерживают температуры до 1100°С и обычно не содержат дроби и связующего материала.

Волокна REFRASIL, как и волокна BELCOTEX представляют собой аморфные выщелоченные стекловолокна, имеющие высокое содержание диоксида кремния для создания тепловой изоляции для областей применения при температурах от 1000°С до 1100°С. Эти волокна имеют диаметры в диапазоне ориентировочно от 6 до 13 мкм и температуру плавления около 1700°С. Эти волокна, после выщелачивания, типично имеют содержание диоксида кремния около 95 вес.%. Эти волокна имеют содержание оксида алюминия около 4 вес.% и содержание других компонентов в количестве 1 вес.% или меньше.

Волокна PS-23 (R) фирмы Polotsk-Steklovolokno представляют собой аморфные стекловолокна, имеющие высокое содержание диоксида кремния. Эти волокна подходят для создания теплоизоляции в областях применения с температурами по меньшей мере около 1000°С. Эти волокна имеют длину в диапазоне ориентировочно от 5 до 20 мм и диаметр около 9 мкм. Эти волокна, как и волокна REFRASIL, имеют температуру плавления около 1700°С.

Разбухающий материал, который может быть введен в установочный мат, содержит (но без ограничения) нерасправленный вермикулит, ионообменный вермикулит, термообработанный вермикулит, расширяемый графит, гидробиотит, разбухающую в воде тетракремнистую порошковую слюду, силикаты щелочного металла или их смеси. Установочный мат может содержать смеси нескольких типов разбухающего материала. Разбухающий материал может содержать смесь не расправленного вермикулита и расширяемого графита, при соотношении вермикулита к графиту ориентировочно от 9:1 до 1:2, как это описано в патенте США No. 5,384,188.

Установочный мат также содержит связующий материал или смесь нескольких типов связующего материала. В качестве подходящих примеров связующих материалов можно привести органические связующие материалы, неорганические связующие материалы и смеси этих двух типов связующих материалов. В соответствии с некоторыми вариантами разбухающий установочный мат содержит один или несколько органических связующих материалов. Органические связующие материалы могут присутствовать в твердом виде, в виде жидкости, раствора, дисперсии, латекса или в другом аналогичном виде. Органический связующий материал может содержать термопластичный или термореактивный связующий материал, который после отверждения становится гибким материалом, который может быть удален за счет выжигания из установленного установочного мата. В качестве примеров подходящих органических связующих материалов можно привести (но без ограничения) акриловый латекс, (мет)акриловый латекс, сополимеры стирола и бутадиена, винилпиридин, акрилонитрил, сополимеры акрилонитрила и стирола, винилхлорид, полиуретан, сополимеры винилацетата и этилена, полиамиды, силиконы, и т.п. Другие смолы включают в себя низкотемпературные, гибкие термореактивные смолы, такие как ненасыщенные полиэфиры, эпоксидные смолы и поливинилэфиры.

Органический связующий материал может быть введен в установочный мат в количестве от больше чем 0 до 20 вес.%, ориентировочно от 0.5 до 15 вес.%, ориентировочно от 1 до 10 вес.% и ориентировочно от 2 до 8 вес.%, в пересчете на полный вес установочного мата.

Установочный мат может содержать волокна из полимерного связующего материала вместо загустевшего или жидкого связующего материала или в дополнение к нему. Эти волокна из полимерного связующего материала могут быть использованы в количествах от больше чем 0 до 20 вес.%, ориентировочно от 1 до 15 вес.% и ориентировочно от 2 до 10 вес.% в пересчете на 100 вес.% всей композиции, чтобы содействовать сцеплению вместе жаростойких неорганических волокон. В качестве подходящих примеров волокон из связующего материала можно привести волокна из поливинилового спирта, волокна из полиолефина, такого как полиэтилен и полипропилен, акриловые волокна, полиэфирные волокна, волокна из этилвинилацетата, нейлоновые волокна и их комбинации.

Типично, органический связующий материал представляет собой расходуемый связующий материал, который используют для первоначального сцепления волокон друг с другом. Под "расходуемым" материалом понимают то, что органический связующий материал в конечном счете выжигают из установочного мата, так что в нем остаются только неорганические волокна, возможно разбухающий материал и возможно глина, которые образуют установочный мат для поддержки хрупкой структуры внутри металлического корпуса.

В дополнение к органическим связующим материалам установочный мат также может содержать неорганический связующий материал. Без ограничения, подходящие неорганические связующие материалы содержат коллоидную степень дисперсии оксида алюминия, диоксида кремния, диоксида циркония и их смеси.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения установочный мат содержит эффективное количество глины, чтобы дополнительно минимизировать уменьшение полной толщины мата и соответствующее ухудшение характеристик при низких температурах, за счет размягчения органического связующего материала и реконфигурации волокон. Без ограничения, глина может быть введена в разбухающий установочный мат в количестве ориентировочно от 1 до 10 вес.%, в пересчете на полный вес установочного мата. Альтернативно, глина может быть введена в установочный мат в количестве ориентировочно от 2 до 8 вес.% или в количестве ориентировочно от 3 до 5 вес.%, в пересчете на полный вес установочного мата. В качестве примеров подходящей глины, которая может быть введена в разбухающий установочный мат, можно привести, но без ограничения, аттапульгит, комовую глину, бентонит, гекторит, кианит, каолинит, монтмориллонит, палыгорскит, сапонит, сепиолит, силиманит или их комбинации.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения установочный мат содержит эффективное количество аттапульгита. Подходящий аттапульгит может быть закуплен на фирме Wesbond, торговое обозначение Wesil NS; на фирме ITС Industrials (Hunt Valley, MD), торговое обозначение Min-U-Gel 400P; на фирме MinTech International (Bloomington, IN), торговое обозначение PalyGel 325NA; и на фирме Zemex Corporation (Artapulugus, GA), торговое обозначение Super Gel В. Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, все же можно полагать, что кристаллическая структура аттапульгита в виде удлиненных иголок может влиять на перестройку неорганических волокон, содержащихся в установочном мате, когда органический связующий материал размягчается при нагревании во время работы устройства для обработки выхлопного газа.

В соответствии с некоторыми вариантами глина также может содержать флокулирующий материал и/или коллоидный порошковый материал.

Установочный мат также содержит эффективное количество противоокислителя для задержки или замедления окисления органического связующего материала, введенного в установочный мат. В соответствии с некоторыми вариантами противоокислитель может быть введен в установочный мат в количестве ориентировочно от 0.1 до 10 вес.%, в пересчете на полный вес установочного мата. Противоокислитель также может быть введен в количестве ориентировочно от 0.3 до 5 вес.% или ориентировочно от 0.5 до 1.5 вес.%, в пересчете на полный вес установочного мата.

В качестве примеров подходящих противоокислителей можно привести первичные противоокислители, вторичные противоокислители, многофункциональные противоокислители и их комбинации. Без ограничения, первичные противоокислители содержат стерично блокированные фенолы и вторичные ароматические амины. Подходящие стерично блокированные фенолы могут быть закуплены на фирме Elikochem (Villejust, Франция), торговое обозначение Wingstay, на фирме RT Vanderbilt (Norwalk СТ), торговые обозначения Agerite Resin и Vanox, и на фирме Ciba Specialty Chemicals (High Point, NC), торговое обозначение Irganox.

В качестве примеров подходящих вторичных противоокислителей можно привести фосфорорганические соединения, которые разлагают пероксиды и гидропероксиды в стабильные, не радикальные продукты, и тиосинергисты, которые являются очень эффективными при длительном термическом старении.

Многофункциональные противоокислители оптимально комбинируют функции первичных и вторичных противоокислителей в одном составном противоокислителе.

В соответствии с некоторыми вариантами смесь противоокислителей в виде блокированных фенолов и тиосинергистов может быть использована в качестве материала противоокислителя установочного мата для устройства для обработки выхлопного газа.

Материал противоокислителя может быть использован в виде дисперсий или эмульсий первичных противоокислителей или смесей первичных и вторичных противоокислителей. Подходящие дисперсии противоокислителей могут быть закуплены на фирме Akron Dispersions (Akron, Ohio), торговое обозначение Bostex, на фирме Aquaspersions (West Yorkshire, Великобритания), торговое обозначение Aquanox, на фирме Tiarco Chemical (Dalton, GA), торговое обозначение Octolite, и на фирме Great Lakes Chemical Co. (Indianapolis, IN), торговые обозначения Lowinx, Durad и Anox.

В качестве примеров дисперсий противоокислителей можно привести дисперсию Bostex 24, которая представляет собой дисперсию Wingstay L, и Bostex 362A, которая представляет собой 50 % Wingstay L/ DTDTDP синергаст (тиосинергист/ вторичный противоокислитель). Температура термической деструкции Wingstay L (противоокислителя, который содержится в дисперсии Bostex 362A) превышает 300°С, а температура самовозгорания составляет около 440°С. Таким образом, материал противоокислителя не будет деградировать или гореть до тех пор, пока не будет достигнута такая температура, при которой органический связующий материал начинает разлагаться и разбухающий материал в установочном мате, такой как вермикулит, не станет активным и не начнет расширяться.

Особенно предпочтительный противоокислитель может быть закуплен на фирме Akron Dispersions (Akron, Ohio), торговое обозначение Bostex 362A. В соответствии с некоторыми вариантами материал противоокислителя образует предварительный комплекс с органическим связующим материалом, до его добавки в другие компоненты установочного мата.

Установочный мат может быть приготовлен любым известным способом, который уже используют для изготовления листовых материалов. Например, известные бумагоделательные процессы, с раскладкой вручную или с машинной раскладкой, могут быть использованы для приготовления разбухающего листового материала. Ручная листовая форма, бумагоделательная машина Fourdrinier или ротоформовочная бумагоделательная машина могут быть использованы для приготовления разбухающего листового материала.

Например, при использовании процесса бумажного производства неорганические волокна, разбухающий материал и противоокислитель могут быть перемешаны вместе со связующим материалом или с другими волокнами, которые могут действовать как связующий материал, чтобы образовать смесь или суспензию. Суспензия компонентов может быть флокулирована за счет добавки в нее флокуливующего агента. Флокулированную смесь или суспензию вводят в бумагоделательную машину, чтобы образовать слой или лист, содержащий волокна. Полученный лист сушат при помощи сушки на открытом воздухе или сушки в печи. Более подробное описание стандартной техники бумажного производства содержится в патенте США No. 3,458,329, который включен в данное описание в качестве ссылки.

Альтернативно, слои или листы могут быть образованы при помощи литья в вакууме. В соответствии с этим способом суспензию компонентов выкладывают в мокром виде на проницаемое полотно. К полотну прикладывают вакуум для вытяжки большей части влаги из суспензии, за счет чего образуется мокрый лист. После этого мокрые слои или листы подвергают сушке, обычно в печи. До проведения сушки мокрый лист может быть пропущен через набор роликов, для уплотнения листа перед проведением сушки.

В соответствии с другими вариантами волокна могут быть введены в установочный мат при помощи обычной раскладки сухим воздухом. Полученный на этой стадии мат имеет очень низкую конструктивную целостность и является очень толстым по сравнению с обычными установочными матами для каталитического дожигателя выхлопных газов и сажеуловителя дизельного двигателя. Поэтому полученный мат прошивают иглой, что само по себе известно, чтобы уплотнить мат и повысить его прочность.

В том случае, когда используют технологию раскладки сухим воздухом, может быть проведена альтернативная обработка мата, когда производят пропитку мата связующим материалом, чтобы образовать композит из отдельных волокон. В этом случае, связующий материал добавляют после операции образования мата, а не в операции образования препрега мата, как в описанном выше случае использования обычной техники бумажного производства. Этот способ приготовления мата позволяет сохранять длину волокна за счет снижения их поломок.

Способы пропитки мата связующим материалом включают в себя полное погружение мата в систему жидкого связующего материала или напыление связующего материала на мат. В непрерывном процессе волокнистый мат, который транспортируют в виде рулона, разматывают и перемещают, например, на конвейере или сетке, мимо распылительных насадок, которые напыляют связующий материал на мат. Альтернативно, мат можно подавать под действием силы тяжести мимо распылительных насадок. Препрег мат/связующий материал затем пропускают между уплотняющими роликами, которые удаляют избыток жидкости и уплотняют препрег ориентировочно до желательной толщины. Уплотненный препрег затем может быть пропущен через печь, чтобы удалить любой оставшийся растворитель и, если это нужно, произвести частичное отверждение связующего материала, чтобы образовать композит. Температура сушки и отверждения в первую очередь зависит от использованного связующего материала и растворителя (если он есть). Композит затем может быть разрезан на куски или намотан в рулон для хранения или транспортирования.

Установочный мат также может быть получен в режиме одноразовой загрузки за счет погружения секции мата в жидкий связующий материал, извлечения препрега и отжима для удаления избытка жидкости, после чего проводят сушку для образования композита, который затем может быть направлен на хранение или разрезан на куски нужного размера.

Следует иметь в виду, что установочные маты могут иметь очень низкую плотность, для их удобного использования в некоторых областях применения. Поэтому может быть проведено дополнительное уплотнение любым известным способом, чтобы повысить плотность мата. Одним таким способом уплотнения является прошивка иглой волокон, чтобы переплетать и запутывать их. Альтернативно или дополнительно могут быть использованы способы гидроперепутывания. Другой альтернативой является впрессовывание волокон в мат за счет их прокатки прессующими вальцами. Любой из этих способов уплотнения матов или любая комбинация этих способов легко могут быть использованы, чтобы получить установочный мат правильной и желательной формы.

Вне зависимости от того, какая описанная здесь выше технология была использована, композит может быть разрезан, например, при помощи штампа, чтобы получить установочный мат, имеющий точные размеры и необходимую форму, с воспроизводимыми допустимыми отклонениями. Установочный мат 20 получает необходимые для обращения с ним свойства после уплотнения, например, за счет прошивки иглой и т.п., причем под легкостью обращения с ним понимают, что он не рассыпается в руках из-за своей хрупкости, как многие другие волокнистые полотна или маты. Он может быть легко и гибко, без растрескивания, обернут вокруг хрупкой структуры 18 или другой аналогичной хрупкой структуры и затем введен в корпус 12 каталитического дожигателя выхлопных газов. Обычно обернутая установочным матом хрупкая структура может быть введена в корпус, или же корпус может быть надет на обернутую установочным матом хрупкую структуру или образован иным образом вокруг нее.

Что касается не разбухающих установочных матов, то такой установочный мат способен поддерживать минимальное давление удержания, составляющее по меньшей мере 10 кПа или по меньшей мере 50 кПа. после проведения 1000 механических циклов стандартного испытания на 1000 циклов расширения зазора, проводимого при нагревании лицевой поверхности до температуры около 300°С, при объемной плотности мата ориентировочно от 0.3 до 0.6 г/см³ и при расширении зазора около 2 %. Что касается разбухающих установочных матов, то такой установочный мат способен поддерживать минимальное давление удержания, составляющее по меньшей мере 10 кПа или по меньшей мере 50 кПа, после проведения 1000 механических циклов стандартного испытания на 1000 циклов расширения зазора, проводимого при нагревании лицевой поверхности до температуры около 300°С, при объемной плотности мата ориентировочно от 0.7 до 1.25 г/см³ и при расширении зазора около 2 %. Следует иметь в виду, что проведение таких испытаний особенно рекомендуется для установочных матов, которые предполагается использовать для поддержки более тяжелых подложек в применениях с высокими G нагрузками, в областях применения при низких температурах. Устройства для обработки выхлопных газов, работающие в таких областях применения, включают в себя структуры катализатора дизельного двигателя и сажеуловители дизельного двигателя.

По термином "цикл" понимают, что зазор между монолитом (то есть хрупкой структурой) и корпусом увеличивается и уменьшается на заданное расстояние и с заданной частотой изменения. Для имитации реальных условий расширение зазора между корпусом и хрупкой структурой данного диаметра определяют путем расчета коэффициента теплового расширения обычного корпуса при температуре, например, около 900°С. Затем выбирают окончательный базовый вес мата, который отвечает критерию испытаний и обеспечивает минимальную силу удержания (Pmin) ориентировочно больше чем 10 кПа после 1000 циклов. Задачей является создание достаточной поддержки при минимальной стоимости, так что может быть выбран минимальный базовый вес мата, который обеспечивает силу удержания ориентировочно больше чем 10 кПа.

При эксплуатации устройство подвергается значительным изменениям температуры. За счет различия коэффициентов теплового расширения корпуса и хрупкой структуры корпус может расширяться больше чем хрупкая структура 18, так что зазор между ними будет немного увеличиваться. В типичном случае, зазор может увеличиваться и уменьшаться на величину ориентировочно от 0.25 до 0.5 мм во время циклического воздействия тепловых нагрузок на устройство. Толщину и установочную плотность установочного мата выбирают так, чтобы поддерживать минимальное давление удержания по меньшей мере около 10 кПа во всех режимах, чтобы исключить ослабление удержания хрупкой структуры за счет вибраций. Установочное давление, создаваемое установочным матом 20 в этих условиях, позволяет обеспечивать тепловые характеристики сборки без нарушения физической целостности образующих элементов.

Эксперименты

Приведенные далее примеры даны просто для того, чтобы дополнительно пояснить построение установочного мата и устройства для обработки выхлопного газа. Приведенные примеры не следует толковать как ограничивающие каким-либо образом характеристики установочного мата и устройства для обработки выхлопного газа, содержащего установочный мат, или как ограничивающие отличительные признаки способов изготовления установочного мата и устройства для обработки выхлопного газа.

Относительное расширение

Оценка относительного расширения установочного мата была проведена при испытании в одном цикле расширения. В примере No. 1 был использован установочный мат, который содержит 47.5 вес.% жаропрочных керамических волокон Fiberfrax, 45 вес.% расширяемого вермикулита, 6.5 вес.% акрилового латекса Нусаr 26083 и 1 вес.% бентонита.

В примере 2 был использован установочный мат, который содержит 47.5 вес.% жаропрочных керамических волокон Fiberfrax, 45 вес.% расширяемого вермикулита, 5.9 вес. % акрилового латекса Нусаr 26083, 0.65 вес.% противоокислителя (Bostex 362A) и 1 вес.% бентонита (Volclay).

В примере 3 был использован установочный мат, который содержит 48.5 вес.% жаропрочных керамических волокон Fiberfrax, 45 вес.% расширяемого вермикулита, 5.9 вес.% акрилового латекса Hycar 26083 и 0.65 вес.% противоокислителя (Bostex 362А).

В примере 4 был использован установочный мат, который содержит 47.5 вес.% жаропрочных керамических волокон Fiberfrax, 45 вес.% расширяемого вермикулита, 5.9 вес.% акрилового латекса Нусаr 26083, 0.65 вес.% противоокислителя (Bostex 362А) и 1 вес.% аттапульгита (Wesil).

Маты в соответствии с примерами 1-4 устанавливали (поочередно) между двумя кварцевыми ползунами. Установочный мат сжимали за счет приложения к нему постоянной нагрузки около 50 psi (фунт на квадратный дюйм). Затем нагрузку снимали и оставляли мат на время около 5 минут в свободном состоянии при комнатной температуре. Затем мат нагревали до 850°С (15°С/мин) и измеряли толщину каждого мата. Результаты испытания в одном цикле расширения показаны на фиг.2.

На фиг.2 показаны графики относительного расширения разбухающих установочных матов в функции температуры. Можно видеть начальное отрицательное расширение при температуре около 200°С разбухающих установочных матов, которые содержат органический связующий материал, возникающее за счет размягчения связующего материала. Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, все же можно полагать, что размягчение органического связующего материала позволяет производить перегруппировку неорганических волокон, имеющихся в установочном мате.

В примере 1, в котором был использован разбухающий установочный мат, который содержит волокна, разбухающий материал, органический связующий материал и бентонит, указанный мат имеет отрицательное расширение при температурах ориентировочно от 100°С до 400°С, при резком увеличении отрицательного расширения при температурах ориентировочно от 275°С до 300°С, возникающего за счет окисления органического связующего материала.

В примерах 2 и 4, в которых были использованы разбухающие установочные маты, которые содержат волокна, разбухающий материал, органический связующий материал, противоокислитель и глину, отрицательное расширение в диапазоне температур ориентировочно от 100°С до 400°С улучшается (уменьшается) по сравнению с примером 1.

В примере 3, в котором был использован разбухающий установочный мат, который содержит волокна, разбухающий материал, органический связующий материал и противоокислитель, но не содержит глину, указанный мат имеет уменьшенное отрицательное расширение в диапазоне температур ориентировочно от 100°С до 400°С, по сравнению с разбухающим установочным матом, который содержит бентонит, но не противоокислитель. Мат в соответствии с примером 3 также имеет отрицательное расширение, аналогичное отрицательному расширению разбухающих установочных матов, которые содержат противоокислитель и глину. Таким образом, было показано, что введение одного (только) противоокислителя в разбухающий установочный мат уменьшает отрицательное расширение мата в диапазоне температур до 400°С.

В примере 5 был использован установочный мат, который содержит 67.5 вес.% магний-силикатных волокон ISOFRAX, 20 вес.% расширяемого вермикулита, 10 вес.% акрилового латекса Hусаr 26083 и 2.5 вес.% бентонита (Volclay).

В примере 6 был использован установочный мат, который содержит 67.5 вес.% магний-силикатных волокон ISOFRAX, 20 вес.% расширяемого вермикулита. 9.5 вес.% акрилового латекса Hусаr 26083, 0.5 вес.% противоокислителя (Bostex 362A) и 2.5 вес.% бентонита (Volclay).

В примере 7 был использован установочный мат, который содержит 65 вес.% магний-силикатных волокон ISOFRAX, 20 вес.% расширяемого вермикулита, 9.5 вес.% акрилового латекса Hусаr 26083, 0.5 вес.% противоокислителя (Bostex 362A) и 5 вес. % аттапульгата (Wesil).

Маты в соответствии с примерами 5-7 устанавливали (поочередно) между двумя кварцевыми ползунами. Установочный мат сжимали за счет приложения к нему постоянной нагрузки около 50 psi (фунт на квадратный дюйм). Затем нагрузку снимали и оставляли мат на время около 5 минут в свободном состоянии при комнатной температуре. Затем мат нагревали до 850°С (15°С/мин) и измеряли толщину каждого мата. Результаты испытания в одном цикле расширения показаны на фиг.4.

На фиг.4 показаны графики относительного расширения разбухающих установочных матов в функции температуры. Можно видеть начальное отрицательное расширение при температуре около 200°С разбухающих установочных матов, которые содержат органический связующий материал, возникающее за счет размягчения связующего материала. Не желая связывать себя какой-либо конкретной теорией, все же можно полагать, что размягчение органического связующего материала позволяет производить перегруппировку неорганических волокон, имеющихся в установочном мате.

В примере 5, в котором был использован разбухающий установочный мат, который содержит волокна, разбухающий материал и органический связующий материал, но не содержит глины и противоокислителя, указанный мат также имеет отрицательное расширение при температурах ориентировочно от 200°С до 300°С, при резком увеличении отрицательного расширения при температурах ориентировочно от 275°С до 300°С, за счет окисления органического связующего материала.

В примере 6, в котором был использован разбухающий установочный мат, который содержит волокна, разбухающий материал, органический связующий материал и 0.5 вес.% противоокислителя, указанный установочный мат имеет улучшенное отрицательное расширение в диапазоне температур ориентировочно от 200°С до 400°С.

В примере 7, в котором был использован разбухающий установочный мат, который содержит волокна, разбухающий материал, органический связующий материал, 5 вес.% глины и 0.5 вес.% противоокислителя, указанный установочный мат имеет улучшенное отрицательное расширение по сравнению с разбухающим матом, который не содержит глины и противоокислителя, или по сравнению с матом, который содержит 0.5 вес.% противоокислителя. Таким образом, было показано, что включение глины и противоокислителя в разбухающий установочный мат улучшает отрицательное расширение мата в диапазоне низких температур до 400°С.

Сопротивление сдвигу

Была проведена оценка сопротивления сдвигу в диапазоне температур от температуры окружающей среды до 500°С разбухающих установочных матов, которые содержат только глину, только противоокислитель или противоокислитель в сочетании с глиной, и проведено сравнение с разбухающим установочным матом без этих добавок.

К образцам установленных в зажимном приспособлении разбухающих установочных матов прикладывали постоянную нагрузку. Измеряли деформацию сдвига (то есть степень упругой деформации материала) в функции температуры. Результаты испытаний на сопротивление сдвигу показаны на фиг.5. Эти результаты свидетельствуют о том, что добавление противоокислителя ведет к повышению полного сопротивления сдвигу по сравнению с установочным матом, который не содержит противоокислителя. В примере 3, в котором использован установочный мат, содержащий только противоокислитель, но не глину, указанный мат имеет сопротивление сдвигу больше чем у установочного мата, содержащего глину, но не противоокислитель (пример 1) или больше чем у установочного мата, содержащего комбинацию аттапульгита или бентонита и противоокислителя (примеры 2 и 4).

Дополнительные результаты испытаний на сопротивление сдвигу показаны на фиг.5. Эти результаты свидетельствуют о том, что использование комбинации противоокислителя и глины ведет к увеличению полного сопротивления сдвигу по сравнению с установочным матом, который не содержит противоокислителя.

Указанные маты являются предпочтительными для использования в каталитических дожигателях выхлопных газов и в сажеуловителях дизельного двигателя. Установочные маты могут быть разрезаны штампом и использованы для упругой поддержки в виде тонкого профиля, что обеспечивает легкость обращения, и в гибком виде, так что это позволяет полностью обернуть структуру поддержки катализатора, если это нужно, без растрескивания. Альтернативно, установочный мат может быть обернут вокруг всего периметра по меньшей мере участка структуры поддержки катализатора. Установочный мат также может быть обернут частично и может иметь концевые уплотнения, что обычно используют в некоторых известных устройствах, чтобы предотвратить утечку газа.

Описанные здесь выше установочные маты могут быть использованы в различных областях применения, таких как автомобильные каталитические дожигатели выхлопных газов, в том числе для мотоциклов и других машин с небольшими двигателями, автомобильные предварительные каталитические дожигатели выхлопных газов, а также могут быть использованы как высокотемпературные распорки, прокладки и даже корпуса систем каталитических дожигателей выхлопных газов для будущего поколения автомобилей. Обычно такие установочные маты могут быть использованы в тех областях применения, в которых мат или прокладка должны создавать давление удержания при комнатной температуре и, что более важно, обеспечивать сохранение давления удержания при повышенной температуре, в том числе и при циклическом воздействии тепловых нагрузок.

Установочный мат может быть использован в качестве концевой конусной изоляции в устройстве для обработки выхлопного газа. В соответствии с некоторыми вариантами, может быть создан концевой конус для устройства для обработки выхлопного газа. Концевой конус обычно содержит внешний металлический конус, внутренний металлический конус и концевую конусную изоляцию, которая расположена в зазоре или в пространстве между внешним и внутренним металлическими концевыми конусами.

В соответствии с другими вариантами концевой конус может содержать внешний металлический конус и по меньшей мере один слой конусной изоляции, который расположен поблизости от внутренней поверхности внешнего металлического конуса. В соответствии с этими вариантами сборка концевого конуса не содержит внутреннего металлического конуса. Вместо этого конусная изоляция является жесткой в такой степени, что она обеспечивает самоподдержку конструкции конуса, который является стойким к высокотемпературным газам, протекающим через устройство.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается устройство для обработки выхлопного газа, которое содержит по меньшей мере один концевой конус. Устройство для обработки выхлопного газа содержит корпус, хрупкую структуру, расположенную внутри корпуса, внутренний и внешний узлы концевых конусов, предназначенные для крепления выхлопных труб к корпусу, причем каждый узел концевого конуса содержит корпус внутреннего концевого конуса и корпус внешнего концевого конуса; и концевую конусную изоляцию, которая содержит термообработанные биорастворимые волокна и, возможно, разбухающий материал, расположенную между корпусами внутреннего и внешнего конусов.

Описанные здесь выше установочные маты также могут быть использованы в каталитических дожигателях отходящих газов, применяемых в химической промышленности, которые расположены в выпускных или дымовых трубах, в том числе и в таких дожигателях, которые содержат хрупкие структуры сотового типа, нуждающиеся в защите при установке.

Установочный мат может быть использован для пассивной пожарной защиты или в качестве материала огневой преграды. Установочные маты также могут быть использованы для обертывания выделяющих теплоту элементов внутри топливной батареи.

Несмотря на то, что установочный мат и устройство для обработки выхлопного газа были описаны со ссылкой на различные варианты, показанные на чертежах, следует иметь в виду, что могут быть использованы и другие аналогичные варианты или же могут быть проведены модификации раскрытых вариантов и сделаны добавления к ним, для осуществления тех же самых раскрытых функций, без отклонения от них. Кроме того, раскрытые выше варианты осуществления настоящего изобретения могут быть объединены для создания желательных характеристик. Таким образом, установочный мат и устройство для обработки выхлопного газа не ограничены любым единственным вариантом, а их следует толковать в широком смысле, в объеме формулы изобретения.