罐装和陶瓷反应体支撑技术

图5.6-3 带有前级氧化催化转化器的柴油机微粒过滤器

1—废气进口 2—催化转化器 3—催化转化器反应体 4—柴油机微粒过滤器 5—支撑垫 6—金属板壳体 7—过滤器反应体 8—测压点 9—温度传感器 10—氧传感器 11—夹紧 12—废气出口

将催化转化器反应体（载体）支撑在排气流的金属外壳中的方法称为“罐装”或“包壳”。陶瓷反应体的特性是在纵向气流方向耐高压，但在垂直气流方向力学强度低。

为将陶瓷反应体支撑在金属外壳中，大多采用支撑垫（图5.6-3）。

使用支撑垫一方面可补偿陶瓷反应体的几何公差，另一方面可以吸收反应体在交变温度和压力时出现的附加夹紧力。另外，支撑垫可用作内、外隔热。对外减少热损失，降低催化转化器表面温度；对内阻止反应体热量散出，使反应体成为热量储存器。反应体与支撑垫间的压力是足够夹紧力的保证。催化转化器反应体的功能要求与可夹紧性出现了目标冲突：反应体的薄壁、多孔、高转换率与低强度、易断性间的冲突。根据汽车上的安装情况，常用非圆形的反应体，但反应体的力学强度随不圆度而降低（图5.6-4）。

图5.6-4 目前的催化转化器或微粒过滤器反应体轮廓实例

在反应体的挤压、毛坯加工和炉中退火的制造过程中存在几何公差。在包壳时必须加以考虑。在足够的夹紧力（工作时）和在外壳封闭时要有足够大的工艺参数公差。反应体上过高的压力增加了断裂的危险；过低的压力使夹紧力下降，反应体移动。支撑垫有膨胀和非膨胀材料两种。在膨胀支撑垫中掺有云母，在足够高的温度工作时体积增大。使用粘结剂使支撑垫具有可加工性。支撑垫的典型成分为10%粘结剂、45%纤维、45%云母。非膨胀材料支撑垫几乎是纯的纤维（＞90%）和粘结剂。支撑垫的最重要特征参数是空隙密度（GBD—gap bulk density）。它表明一定质量的物质压紧程度。

GBD窗口描述在短时可能达到的最大压力下（取决于反应体强度）的GBD值和在必要的最小夹紧力下的GBD值之间的变化范围（图5.6-5）。非膨胀材料支撑垫的GBD窗口要比膨胀材料支撑垫的GBD窗口大得多。GBD窗口越大，工作过程越宽。在发动机工作时，在约250℃中等温度范围，膨胀材料支撑垫随着压力下降而达到危险状况，这时粘结剂开始氧化析出气体。但云母没有膨胀（称为粘结剂空洞）。非膨胀纯纤维材料支撑垫则随温度增加而降低少许压力（图5.6-5）。

图5.6-5 支撑垫的压力GBD特性线和压力—温度特性线(www.xing528.com)

除对支撑垫的物理性能要求外，还有环保要求。通过对有害物质和对危险物质的工程限制（TRSS）的规定，规定了905（WHO纤维）、619（代用物质）和521（纤维粉剂）的标准。

包壳工艺：主要有4种方法。所有方法的目标是保证在各种工况下有足够的夹紧力和在包壳时反应体承受的载荷尽量小（图5.6-6）。在封闭反应体及支撑垫的闭合工具上的稳定的工艺参数应保证GBD值稳定或达到规定的支撑垫压力。

卷绕包壳是用得最广的一种工艺。在预先成形的金属板材上用规定的压力在周围有针对性地压在均匀的支撑垫缝隙上。卷绕可以部分地补偿反应体表面的几何公差。在外壳闭合后通过纵向焊接封闭。工艺限制：特别扁的反应体形状，在封闭后由于支撑垫压力而重新鼓起。利用有针对性的外壳钢板预成形和局部的外压力可以减少这种情况。

图5.6-6 罐装（包壳）和喇叭口连接工艺

在瓦壳结构中，将带有支撑垫的反应体放在拉深的下瓦壳中，并在人工闭合后与上瓦壳焊在一起。带助片的外壳可提高扁形瓦壳的刚度。限制：闭合上、下瓦壳可以部分地补偿反应体高轴（垂直轴）的支撑垫的空隙分散度，但在横轴方向和在外壳肋片范围的支撑垫空隙分散度只能通过更大的支撑垫密度才能补偿。

堵头包壳和收缩包壳的催化转化器为筒式催化转化器。

在堵头包壳时，绕反应体卷绕的支撑垫轴向压在圆筒上。利用一个圆锥体工具压缩支撑垫。采用分组办法，可以使反应体的几何公差与定义的圆筒直径匹配。限制：如果需要较大的夹紧力，则在反应体移动时由于高的剪切力和摩擦力而损坏支撑垫。不圆的反应体使圆筒预变形，即使圆筒产生不同的危险变形，所以堵头包壳方法只用于圆反应体上。

在收缩包壳时，在定义的圆筒直径上机械地收缩径向方向的套筒。在支撑垫上和反应体上串接的径向测量装置控制能显示带有支撑垫压力的支撑垫直径和反应体直径的目标值。有针对性地径向压缩支撑垫，使反应体产生很小的部分载荷。这是收缩包壳工艺优于其他几种包壳工艺的原因。目前仍是限制反应体的不圆，即限制在圆周方向上的不均匀弹性变形。

正确选择包壳方法也与喇叭口/外壳连接或与喇叭口形状有关（图5.6-6）。同轴的筒式催化转化器可以很好地与滚压的锥体组合。卷绕的催化转化器具有最大的自由度，它不受反应体形状限制，并可与不同轮廓的喇叭口焊接。在如较贵的包含喇叭口的拉深外壳和反应体特别扁平时，瓦壳结构具有优良的工艺性。