CN101798945A - 催化剂室 - Google Patents

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Abstract

本发明为催化剂室。为了获得用于内燃机的废气系统(100)，该废气系统具有外壳(10)、催化剂室(20)和废气管(23)，所述外壳包括至少一个后壳(12)和前壳(11)，在所述催化剂室中安装至少一个催化剂元件(33、34)，来自催化剂室(20)的废气从废气管中被运输，所述废气系统不包括新的部件且可以低价制造，其中避免了在废气系统的各部件中的有害热应力，提出了催化剂室(20)也形成废气管(23)，该催化剂室(20)包括至少两个半腔(21、22)和废气管(23)，该废气管设置的材料均匀，且在至少一个半腔(21、22)中有一个废气管。

Description

催化剂室
本申请是申请日为2006年8月30日、申请号为200610115187.5的专利申请的分案申请。
本发明涉及一种用于内燃机的废气系统，该废气系统具有至少一个用于转化燃烧废气的催化剂元件。该废气系统可以用于四冲程或者二冲程汽油发动机。由于该废气系统本身具有特别紧凑的结构，所以也可以用于手动操作的机床，比如汽油驱动的砂轮切割机、链锯、绿篱修剪器等。一般的废气系统包括一个具有至少一个后壳和一个前壳的外壳。而且，这些废气系统装配有催化剂室和废气管，在该催化剂室中安装至少一个催化剂元件，来自废气管的废气被输送到催化剂室外部。
由现有技术可知，为了降低来自内燃机的有害排放，需要安装具有多个催化剂元件的废气系统。使用这些催化剂元件可以借助于包含在废气中的组分对废气进行后处理。例如，借助于残留的氧气组分，可以将存在的碳氢化合物转化成二氧化碳或者一氧化碳和水。但是，在这个化学净化过程或者转化过程中产生了热量，结果来自内燃机且本来已经很热的废气进一步被加热。因此，通过碳氢化合物的转化产生了非常高的热量，结果传统的具有多孔结构的催化剂会被损坏，尤其是在具有高碳氢化合物排放的二冲程发动机的情况下。由于这个原因，易于使用涂覆金属片、伸长的栅格或者钢丝围栅形式的催化剂，已经得到证明它们具有足够的耐久性且由于它们小的总体深度经受更小的热负荷。为了防止废气系统的整个外壳与热的转化后的废气相接触，为催化剂应用所谓的催化剂室，然后净化后的废气从这些催化剂室经相邻的废气管直接地或者间接地被从外壳输送到外面。这些方法的效果是，尽管应用了催化剂元件，但是降低了施加在外壳材料上的热负荷。
从DE 3829668 A1公开中可知在废气系统中使用了这种催化剂室。在其公开的的废气系统的实施例中，使用了包括一个大开口的催化剂室，还没有处理过的废气通过该大开口被导入。被导入的废气首先流经催化剂元件，然后进入废气管。此处，催化剂室在结构上与废气管间隔开，并利用插入式连接或者焊接固定在一起。因此，为了形成催化剂室和接下来的废气管使用了大量的零件(片状金属零件)。一方面，从生产角度考虑，这是昂贵的，反映在制造成本上，另一方面，由于使用不同的零件产生了不同的温度膨胀，结果在这些部件中容易产生高的热应力。
因此，为了克服这些缺陷，本发明所要解决的技术问题是制造出带有包括较少独立零件的催化剂室的废气系统，并且所述催化剂室制造成本低。而且，可以基本上避免废气系统的部件中的有害热应力。
根据本发明，该问题由在权利要求1的特征部分中说明的方法来解决。
根据本发明，用于内燃机的废气系统包括外壳，该外壳包括至少一个后壳和一个前壳。为了使来自内燃机的燃烧废气不会未被清洁就进入大气，在该废气系统中还设置催化剂元件，该催化剂元件安装在催化剂室中。不言而喻，也可以在该废气系统内安装具有催化剂元件的第二催化剂室，该第二催化剂室可以与第一催化剂室平行或者串连连接。为了使废气能够从催化剂室逸出，设置废气管，借此，催化剂室同时或者额外地形成废气管。该催化剂室包括至少两个半腔，借此，使废气管材料均匀地设置，并且在至少一个半腔中具有一个废气管。因此，由至少一个半腔形成该废气管。因此，该废气管不是以某种连接方式安装在催化剂室上的附加的元件，而是催化剂室和废气管形成不可分割的单元。不言而喻，该废气管当然也可以由两个半腔形成。该废气管可以具有任意的横截面。
该废气系统的其它有利的改进在从属权利要求2-18中说明。
利用上述的技术方案，可以将废气管成形为一个或者多个半腔。例如，可以利用深冲压、埋头挤压、冲压或者其它成形操作来实现这种成形。由于催化剂室的半腔可以包括一个片状金属件，所以该废气管可以与催化剂室的成形同时完成。因此，不需要额外的生产步骤来构造废气管。而且显然，通过用于半腔的成形过程，可以容易地获得废气管的形状(即横截面)和走向。因此，例如，该废气管可以设计成弯曲的和/或曲折的，从而以这种方式延长废气管的长度。即使当废气直接被导向外部或者环境中时，利用足够长的废气管就可以避免在废气系统外形成火焰。
为了将废气系统或者外壳的内部空间分成至少彼此分隔的两个区域，可以使用催化剂室。为了这个目的，该催化剂室可以设计成以这样的方式二维延长，即它可以以它的二维延长的方式来充满或者封闭例如穿过废气系统的整个横截面。如果必要，至少一个半腔设置成周边等于废气系统的横截面。为了封闭穿过废气系统的横截面，当然也可以使两个半腔都具有相同的周边形状。这种方法的结果是，废气系统被分成至少两个彼此分隔的两个区域，它们甚至可以设置成相对于另一个为气密的。
一个区域可以用作消音器，未转化的废气首先流入该消音器。该区域设置成邻近废气系统中的气缸。在允许的废气已经被输送穿过催化剂室和废气管后，废气可以流入另一个区域或者可以被直接输送到大气中。因此，另一个区域主要用作转化后的废气的防热。该区域可以额外地填充绝缘材料，比如绝缘毛织物。
已经提及，安装在该废气管远离催化剂元件拿一端上的废气出口孔可以终止于废气系统的内部空间中或者在外壳的出口处直接终止。为了获得对外壳的进一步冷却，可以在外壳中设置通风孔，尤其是在前壳中设置通风孔，冷的新鲜空气可以穿过该通风孔进入废气系统。此处，使新鲜空气只流入废气系统中没有填充未转化废气的封闭区域中的确是有利的。为了提高冷却效果，在废气管的废气出口孔处也可以设置喷嘴，尤其是文丘里喷嘴/喷射喷嘴。这样做的效果是，通过通风孔进入的新鲜空气与排出的、热的、转化后的废气夹杂。通过利用文丘里喷嘴产生冷却空气流，结果不仅冷却转化后的废气，而且冷却一部分外壳。
在根据本发明废气系统的一个具体变形中，外壳的前壳同时形成一部分催化剂室。因此，这种变形中，外壳的前壳可以用催化剂室的半腔代替。以这种变形，很显然，该废气管的废气出口孔直接导向外部。总体来看，该废气系统的这种变形操纵非常少的元件。但是，由于该废气系统的一部分区域变得非常热，这一部分区域实际上直接与转化后的空气相接触，因此，建议设置附加的防热壳来取代该废气系统的这一部分热的区域。该防热壳例如可以包括铝壳或者铝片，从而将存在的热量有效地传导出去，因此获得可以接受的温度水平。
为了在废气净化过程中获得高的转化率，推荐设计至少一个具有大面积的催化剂元件。如果使用栅格型、多孔板型或者筛格型催化剂元件，后面的可以一个挨着一个地安装，从而以催化剂元件彼此相邻安装来获得更高的稳定性。但是，也可以使用多孔结构类型的催化剂元件。也可以想到，在废气的流向中将至少两个催化剂元件一个在另一个后面那样地安装。在这种连接中，也可以涉及多个催化剂元件的一系列连接。如上所述，也可以将两个催化剂元件安装成一个在另一个后面。第一废气管的废气出口孔则可以终止于第二催化剂室的入口孔中。
而且，可以想到，彼此相邻平行地安装两个或者多个催化剂室。
为了安装存在的催化剂元件，从而将其固定在催化剂室中，在至少一个半腔中设置多个定距块。这些定距块也可以由半腔的简单变形产生。因此，利用这些插入的定距块就可以将催化剂元件以键入的和/或摩擦锁定的方式保持在催化剂室中。如果在催化剂室中前后设置两个催化剂元件，那么利用附加的定距框就可以将后者以规定的间距保持住。定距框本身由金属片等制成，其在内部被冲压掉，这样该定距框几乎不会在催化剂元件之间产生阻流。也可以在该定距框上设置其它的定距块，从而增加定距框的金属片厚度，因此扩大催化剂元件之间的间距。
为了避免与热有关的有害应力，有利的是设置至少一个连接元件，利用该元件可以将该催化剂室或者该催化剂室的半腔保持在一起。应该将该连接元件优选安装在催化剂元件的中央区域。利用该连接元件，将整个催化剂室和内部安装的催化剂元件以及存在的任何定距框或者定距垫圈固定起来。可以应用可反复拆卸的连接元件，例如螺母/螺钉。铆钉、焊接接头或者torx连接元件也可以用作连接元件。为了简化催化剂室的组件，可以例如利用焊接或者键连接将螺母固定安装到半腔上。
为了进一步简化废气系统的结构，可以想到，将催化剂室的边缘区域夹到外壳的前壳和后壳之间。从而通过将前后壳连接在一起就可以将催化剂室保持在一起。也可以在其边缘区域利用凸缘将催化剂室本身保持在一起。
为了获得对催化剂室更好的冷却，可以在催化剂室上设置附加的冷却表面。如果废气系统的外壳同时被催化剂室分成两个区域，这些附加的冷却表面可以进行特别细致的设计。因此，在排气管旁边左手侧和右手侧上的这两个半腔中可以设置附加的表面，这样，同时将外壳分隔成两个区域。
为了提高催化剂元件的转化率，建议使一股气流以废气管流向的直角方向穿过催化剂元件。利用这种方法，一大部分废气在其可以流入废气管之前，反复地流动穿过安装在直角位置的催化剂元件。在催化剂元件以与废气管相同的流向安装时，根据本发明的废气系统显然也可以起作用。
为了使内燃机的功率不会被废气系统降低，建议在废气系统内建立尽可能小的阻流。为了这个目的，与废气管一起邻近于后壳安装的半腔可以包括至少一个入口孔，废气穿过该入口孔进入催化剂室。可选择的，或者进一步的，邻近于前壳安装的另一半腔可以存在至少一个出口孔，来自催化剂室的废气穿过该出口孔直接或者间接地流向外部。出口孔安装在前壳中。因此，在废气净化流入大气中之前，废气或多或少有一次以直角流经废气系统。
借助于附图，下面更加详细地说明本发明具体实施方式的各种实施例。在这些附图中，只是示意性地示出，
图1以三维分解视图示出了根据本发明具有催化剂元件、线性废气管和绝缘元件的废气系统，
图2以三维分解视图示出了根据本发明与如图1所示相似的废气系统，其还在前壳中具有通风孔和喷射器，和
图3以三维分解视图示出了根据本发明的另一种废气系统，其具有两个催化剂元件和曲折的废气管。
根据本发明的废气系统100的第一种变形在图1中示出。废气系统100的外壳10基本上是直的平行六面体形状。在本实施例中，外壳包括前壳11和后壳12，但本发明并不限于分成两部分的外壳10。使来自内燃机的废气进入的废气进口16设置在后壳12中。由于后壳12和前壳11的开口区域被存在的催化剂室20封闭，所以在前壳11中产生第一区域18，在后壳12中产生第二区域19，这两个区域18、19以气密方式彼此分隔开。因此，从第二区域19进入的废气不得不通过五个圆形进口孔24进入催化剂室20。为了这一目的，这些进口孔24设置在第二半腔22上。一旦废气已流入催化剂室20中，就被导向穿过催化剂元件33。实际的催化剂室20设计成直的平行六面体形状，从而矩形的催化剂元件33可以节省空间的方式安装。催化剂室20的直平行六面体形状的截面可以由成形工艺形成为两个半腔21和22。废气在催化剂元件33中转化后，就可以进入废气管23中。废气管23线性地结合入第一和第二半腔21，22，这也是实际的催化剂室。废气管23延伸跨过催化剂元件33的整个宽度或长度。因此，废气管23在催化剂侧的开口27大致与催化剂元件33左对齐。
为了将固定在催化剂室20中的催化剂元件33简单定位，设置两个定距垫圈36，它们设置在第一半腔21和催化剂元件33之间以及催化剂元件33和第二半腔22之间。催化剂室20的这两个半腔21、22通过连接元件32固定或保持在一起，连接元件32由两个定距垫圈36导向。在本实施例中，该可反复拆卸的连接元件32设计成两部分，例如包括螺母和螺钉。
转化后的废气从废气管23经出口孔25流过。出口孔25可以终止于位于前壳11下方的外壳10的内部。也可以用前壳11中的废气出口13将出口孔25包围，这样废气直接流向外面。为了使前壳11不会多余地被加热，在催化剂室20或者第一半腔21与前壳11之间设置附加的绝缘元件37。该绝缘元件37例如包括由玻璃纤维制成的衬垫。
图2示出了一种与图1中所示发明的废气系统100相似的实施方式。后壳12和催化剂室20都做了相同的设计。只有废气管23和前壳11上的出口孔25与图1所示的废气系统相比显示出结构上的改变。在图2中，出口孔25设定为敞开式的，设定一个环形间隙，使来自第一区域18的气体与排出的废气流一起被吸入。此外，例如在废气出口13处应用喷射器26或者喷嘴26，尤其是文丘里喷嘴，利用其在前壳11下面的第一区域18中产生冷却流。为了这个目的，在前壳11中设置多个额外的通风孔14，新鲜的空气可以通过这些通风孔14深入废气系统100内。在前壳11下方的废气排出过程中通过产生的抽吸力吸入新鲜空气。利用这种强制对流对前壳11进行冷却。同时，热的转化过的废气与从喷射器26排出时吸入的新鲜空气混合，结果也对废气进行冷却。在图2的废气系统的实施方式变形中，较小的出口孔25可以突出进入喷射器26或者喷嘴26。
在图3中，外壳10构形成与图1中的废气系统100相同的结构，但是应用了结构不同的催化剂室20。而且，应用两个催化剂元件33和34，它们安装在催化剂室20内。为了在穿孔的板式催化剂元件33、34之间产生一定的最小间距，使用了间隔框35。该间隔框35基本上包括直角的金属片，为了扩大催化剂元件33、34之间的间距，在金属片的拐角区域设置额外的定距块。将间隔框35中央冲压掉，这样废气能够从第一催化剂元件33毫无阻流的流向第二催化剂元件34。此外，可以在各催化剂元件与半腔21、22之间插入定距垫圈35。在本实施方式变形中，在第一半腔21中设置总共六个大面积的进口孔24，此时还没有转化过的废气通过这些进口孔24进入催化剂室20。为了使催化剂元件33、34不大面积地直接抵靠在半腔21、22上，多个额外的定距块31形成为半腔21、22。例如，通过冲压、挤压或者深冲压可以进行这种成形。从催化剂室20接下来的废气管23设计成弯曲的。该废气管23成形为进入第一半腔21和第二半腔22。将废气管23成形为只进入半腔21或者22也是足够的。
另一方面，为了将废气系统100的内部空间的第一区域18与第二区域19分隔开，第一半腔21设计成具有更大的面积，这样就可以借此将外壳10的整个横截面覆盖。同时，废气管23左侧和右侧的表面都作为冷却表面28，这样就可以带走废气管23的多余热量。为了可以节省同样多的材料，可以将这些冷却表面28分配给第二半腔22。当然，冷却表面28也可以只设置在第二半腔22上。而且，由于外壳与该管和腔周围的间距，外壳能保持在低温水平。
为了以气密方式密封半腔21和22，利用连接元件32将这两个半腔21、22固定。作为单点固定的结果，当催化剂元件由于受热膨胀时，催化剂元件不易于产生突起。该连接元件32也包括螺母和螺钉。但是，也可以应用铆钉等连接。而且，这两个半腔21、22也可以只在它们的边缘区域29、30进行固定。例如可以在前壳11和后壳12之间通过夹紧这两个半腔来进行固定。这两个半腔21、22也可以熔接或者焊接在一起。
如已经描述的，在图3中将废气管23设计成弯曲的，类似于图形“7”。在催化剂那一侧的开口27并不配置成跨越催化剂元件33、34的整个宽度，而是只覆盖一小部分。转化后的废气必须经过这个开口27流进废气管23，然后才能被输送穿过废气管23中的各种弯道和弯管23c。废气管23的长度可以由这些弯管和弯道23c延伸。通过该装置可以避免在废气系统100外侧形成火焰。
最后，应该注意，前面描述的技术特征可以单独或者组合应用于根据本发明的废气系统100中，因为它们并不彼此相互排斥。废气系统100也可以用作局部排出废气系统的起始位置、中间位置或者终点位置。

Claims (16)

1.一种用于内燃机的废气系统(100)，该系统具有至少一个外壳(10)、一个催化剂室(20)和一个废气管(23)，所述外壳包括至少一个后壳(12)和一个前壳(12)，在所述催化剂室中安装至少一个催化剂元件(33、34)，废气则从催化剂室(20)经所述废气管(23)被输送，其中，催化剂室(20)还形成废气管(23)，该催化剂室(20)包括至少两个半腔(21、22)，该废气管(23)设置成材料均匀的，且在至少一个半腔(21、22)中设置一个废气管其中，在至少一个半腔(21、22)中形成该废气管(23)，并且，其中，外壳(10)的内部空间被催化剂室(20)分为彼此间隔开的至少两个(气密)区域(18、19)。
2.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，所述废气管(23)的废气出口孔(25)安装在废气管(23)背离催化剂元件(33、34)的那一端上，设置在外壳(10)的废气出口(13)处。
3.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，在前壳(11)中设置多个通风孔(14)，新鲜的空气通过这些通风孔流进废气系统(100)中。
4.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，所述废气管(23)的废气出口孔(25)具有文丘里(Venturi)喷嘴(26)或者喷射泵。
5.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，外壳(10)的前壳(11)形成一部分催化剂室(20)。
6.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，废气管(23)设计成弯曲的和/或曲折的。
7.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，至少一个催化剂元件(33、34)设计成具有大面积。
8.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，在废气的流动方向上前后安装至少两个催化剂元件(33、34)。
9.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，利用定距块(31)将至少一个催化剂元件(33、34)安装固定在催化剂室(20)中，所述定距块在至少一个半腔(21、22)中形成。
10.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，为了在两个催化剂元件(33、34)之间产生间距，在两个催化剂元件(33、34)之间安装定距框(35)。
11.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，利用至少一个连接元件(32)将催化剂室(20)固定在一起。
12.如权利要求11所述的废气系统，其特征在于，定位固定催化剂室(20)中存在的各元件，通过连接元件(32)至少实现较大程度的应力释放。
13.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，通过在两个半腔(21、22)的边缘区域(29、30)形成凸缘，将催化剂室(20)固定在一起。
14.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，催化剂室(20)具有附加的冷却表面(28)，因此与外壳之间具有环绕间距。
15.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，一气流与废气通道(23)的流向成直角，经过至少一个催化剂元件(33、34)。
16.如前述权利要求任意之一所述的废气系统，其特征在于，邻近于具有废气入口(16)的后壳(12)安装的一个半腔(21、22)中，设置至少一个入口孔(24)，废气经过该入口孔流入催化剂室(20)，和
邻近于前壳(11)安装的另一个半腔(21、22)中，存在至少一个出口孔(25)，该出口孔位于前壳(11)的废气出口(13)的区域中，废气经过该出口孔直接或者间接地从催化剂室(20)流向外面。
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