CN1027004C - 内燃机特别是两冲程内燃机的废气催化净化装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及内燃机，特别是两冲程内燃机的废气催化净化装置，它包括安置在排气通道的外套管，外套管内有带孔的内管，在外套管和内管之间形成一窄的环形室。内管镶衬着催化剂。

Description

本发明涉及内燃机，特别是两冲程内燃机的废气催化净化装置。

内燃机，特别是按两冲程原理工作的内燃机，要求一定的废气排放装置结构来保证有效的换气过程（充入汽化燃料，换气和排除废气）。这些工作过程的有效性不仅取决于消音器适当的调整，还取决于在发动机废气出口和消音器之间区域的结构措施。例如，反射面和/或膨胀室（也叫排气管壳）安置在排气管中或紧接在排气管后，从而对气体动力学施加积极的影响。

常规的废气催化净化系统（例如松散催化剂系统或整体催化剂系统，在多种情况下可安置于靠近发动机的排气系统的某个部分中），由于会产生排气的反压力以及对气体动力振动的干扰，已经证明会使二冲程发动机的效率降低。

此外，由于焦油物等使装置易于阻塞。例如，当发动机在某些工况下运转，这种阻塞有时会发生在整体式催化剂系统中。不论在什么状态下，使用常规整体式催化剂系统总是不利的。这是由于它们 对于较小容积具有十分高的转换潜力，使它们暴露于发动机高排放的具有十分高的放热产物之中，从而使它们面临热损伤的危险，甚至有被熔化的危险。

DE2942728中公开了一种催化净化系统，它包括一个内管和一个外管，外管在其两端密封的与内管固定。被外管所环绕复盖的内管的一部分是多孔的，并带有废气催化净化涂敷层，内管形成排气管的一部分为了改善废气与催化净化涂敷层的接触，一个废气流动板从催化净化系统的上游插到废气通路。

本发明的目的是提供一种适合于内燃机，特别是两冲程内燃机的废气催化净化系统。与常规催化系统相比，本发明的系统具有较低的排气反压力，并且装置不易被焦油物等所阻塞。本发明的目的可以通过一种催化净化装置得以实现。

本发明的目的是这样达到的：

提供用于内燃机，特别是两冲程发动机废气的催化净化装置，包括一个外管和一个带孔的内管，后者设置在外管中，内外管之间形成环形间隙，在内管的一面或两面涂有催化活性层，外管作为排气管的一部分，外管直径在其长度方向是变化的，从而在排气管中形成一个膨胀室，内管和外管之间的环形间隙在两端都是开口，由至少一块与内外管连接的连接板使两管之间的间隙得以形成，所述的间隙可被内管中的定出物或珠形物所阻断，内管在其整个表面均带有孔，外管 的内径与内管外径比率范围在1.01至1.02的范围。

本发明的目的还可以通过以下措施实现：

内管有着与外管相应的形式，使得两管之间的环形间隙的横剖面几乎不变。内管上的圆孔的直径的范围为0.75毫米至10毫米，最好是1.5毫米至6毫米，孔的总表面积占内管的总表面积为5%至80%，最好是20至60%。内管由同样涂覆催化活性层的金属网，拉伸的金属或其它带孔的管所环绕和嵌衬。上述的催化净化装置作为预催化剂系统置放于整体已催化剂系统（6）之前。

本发明同样适用于四冲程发动机，因为这类发动机也要求废气系统的良好的调整。

图1表示作为内燃机排气管一部分的催化净化装置;

图2表示催化净化装置形成排气管的膨胀室;

图3表示的催化净化装置是作为主催化剂的预催化剂，两种催化剂串连安置。

按照本发明的废气催化净化装置，外套管（1）可以是任何形状，内管则与外套管相配成形，因此得到几乎为等横截面的环形间隙（5），圆锥形的环形室同样构成本发明的一部分。

在图1中，催化净化装置形成带有轻微锥度截面的排气管的弯曲部分，通过在内管两端的连接板（4）在内管（3）和外管（1）之间形成间隙（5）。

由于所选择的尺寸，使环形间隙（5）仅占据外管（1）的容积的一小部分。环形间隙（5）以及孔眼增加了催化剂区域的扰动，从而增加了气体交换。在本发明装置的基本结构中，通过环形间隙使上述作用得到加强。该间隙在两端都是开口，并保证气体回流过催化剂涂敷的内管。对于某些发动机的结构，可以将环形间隙至少在一端的任何位置封闭，最好是通过加宽内管端部的方法或利用焊接或焊料实现该封闭。

当孔眼（2）为圆形孔时，这些在内管上的圆孔的直径范围是0.75mm到10mm，孔与孔之间的间隔范围是1.0mm到15mm。孔的直径最好是从1.5mm到6mm，孔之间的间隔最好是2.0mm到7.5mm。内管上可以有不同直径，有规律地排列在整个管上的孔。

孔眼不一定是圆形，也可以是矩形，缝口形或任何其它形状，或这些不同形状的组合。因此，除了圆孔之外，也可以采用矩形孔或缝口形式的孔或任何其它形式的孔，或这些不同形式孔的组合。此外，在内管长度范围，孔的大小和数量可以变化，内管管体可由金属网或硬钢丝所组成。

对于不同的实施例，孔的相对自由表面积（孔眼的总面积）为5%到80%，最好是20%到60%。

内管上的孔可以通过深冲向上和/或向下指向的凸起来成形，从而使在内管上作为扰流器的孔的作用得到加强。

内管可由两个半壳结合在一起而形成，特别是考虑制造上的技术原因而这样做的。这也导致环形室剖分为两半。

内管由同样涂覆着催化剂的金属丝网、拉伸的金属或其它带孔的涂覆着催化剂的管所环绕和嵌贴，通过用这种环绕和嵌贴，使管的几何表面积得到增加，从而达到提高有害物质转化率的目的。

按照本发明的装置，即可作为主催化剂系统，又可以作为与任何结构的主催化剂系统串连安置的预催化剂系统。该装置可以作为预催化剂系统置放于整体主催化剂系统（6）之前。如图3所示当本装置作为催化剂系统时，有害物质的部分转化会导致温度上升，从而促使（甚至是必要的）使安置在排气系统冷却器部分的主催化剂系统开始工作。当污染物浓度很高，同时废气又在高温状态，部分转换的优点在于减小了高温损害的影响，这是由于在预催化剂系统和主催化 剂系统之间的废气受到冷却，从而防止由热造成主催化剂系统过早的破坏和钝化作用。从下面给出的实际应用的例子可以看出，当本发明的装置作为主催化剂系统应用时，该装置的转换效率惊人的高。另外，当本发明的装置在两轮车辆上作为主催化剂系统应用时，它可以满足目前的和将来的排放限制值。

所使用的催化剂可以是用于奥托（otto）发动机的废气净化的 含有贵重金属和/或非贵重金属的任何常规配方。

含有铂（Pt）、钯（Pd）和/或铑（Rh），装载在耐热氧化载体材料（AL₂O₃，SiO₂，硅酸铝）上的贵重金属催化剂是特别合适的催化剂，为活化和改善热稳定性，载体材料可带有氧化添加剂，比如C_eO₂，Z_rO₂，碱金属氧化物和/或稀土金属氧化物。

为了改善带孔的管形体的耐热性以及涂敷层的粘着性，在氧化载体材料应用之前可通过喷沙，火焰喷涂或铝化作为初步处理。

例1.

由耐高温钢1.4841制作的带有小孔的圆锥形弯曲的管的直径为30mm和55mm，展开长度为345mm，小孔的直径为2mm，小孔之间的间距为3.15mm，该圆锥形管在900℃的空气中回火处理3个小时。

然后，弯曲的管体由弥散度约为40%的r-AL₂O₃（150m²/g），铈乙酸盐和氧锆基乙酸盐所镶衬，在120℃下烘干，并在600℃下煅烧两个小时。涂敷层的量AL₂O₃为7.5g，C_eO₂为2g，Z_rO₂为0.5g。然后，管状体浸渍在Pt（NH₃）₄（OH）₂和Rh（NO₃）₃的溶液中（重量比为Pt∶Rh＝5∶1），在400℃的成形气体（N₂∶H₂＝95∶5）下烘干和还原。

贵重金属的添加量为每部分0.24g。

例2.

利用图1所示的试验装置对例1中提出的催化剂做了试验。在内管的外径和外套管的内径之间的环形间隙为1mm。

试验用车辆为二轮摩托车，装有风冷两冲程的单缸发动机，冲程 容积为148Cm³。该两轮摩托车在每分钟8100转的额定转速下的功率为14Kw。使用的燃料为机油和汽油1∶50的混合燃料。

按照ECE    R40的试验规则，该车辆是在柱型试验台上进行试验的。在催化剂入口的废气温度，在试验循环中是在250℃到650℃之间变化。废气分析采用恒体积进样（CVS）原理。

下面是得到的排放结果

CO HC+NO_x

g/Km    g/Km

没有催化剂    3.25    5.86

有催化剂    1.13    2.56

对于CO的转换率为68%，对于（HC+NO_x）的转换率为56%。

通过使用这种特殊结构的催化剂，可以在不对气体动力过程产生大的影响的情况下，使排放值达到1990年10月1日生效的瑞士排放限制值（CO＝8.0g/Km，HC+NO_x＝3.1g/Km），如果对气体的动力过程干扰太大，将导致二冲程发动机输出功率的损失。

例3.

由耐热钢1.4828制成的锥形管的壁厚为1mm，直径为39mm和61mm，长度为150mm，并带有槽孔（长×宽＝6mm×1.5mm，连接板宽为1.3mm）。由火焰喷涂的以AL₂O₃为基体的粗氧化物层，通过贴附面牢牢附衬在锥形管上。然后，因此而预热了的金属管 浸入到由稳定的La₂O₃，r-Al₂O₃（130m²/g）和氧化铈的42%的悬浮体中，将多余的涂层材料吹掉，管进行烘干并在500℃下回火处理两小时。在管被涂敷处理后，它带有的Al₂O₃为3.9g，La₂O₃为0.2g，CeO₂为1.0g。预催化剂段是浸入在Pt（NH₃）₂（NO₂）₂和Pd（NO₃）₂的硝酸溶液中（重量比为Pt∶Pd＝2∶1），烘干处理并在300℃空气中煅烧。每部分贵重金属的量为125mg。

例4.

用图2所示的试验装置对例3中的催化剂进行试验。内管的外径和外套管的内径之间的环形间隙平均为1.5mm。试验用车辆为风冷两冲程单缸发动机（冲程容量为134CC）的二轮摩托车。在每分钟8100转的额定转速下，发动机功率为12Kw。使用机油和汽油比为1∶30的混合燃料。

按照ECE    R40试验规则，在滚柱型试验台上对车辆进行试验。在催化剂入口的废气温度为150～420℃。废气分析采用CVS原理。

下面是得到的排放数据：

CO HC NO_x

g/Km    g/Km    g/Km

没有催化剂    6.86    10.15    0.016

有催化剂    3.16    5.96    0.014

因此，对CO的转换率为53%，对HC为41%，对NO_x 为13%。

通过使用这种特殊结构的催化剂，可以适合奥地利1991年9月3日开始实施的二冲程摩托车的排放限制标准（CO＝8g/Km，HC＝7.5g/Km，NO_x＝0.1g/km）。

例5.

直径为60mm，长度为75mm，晶粒密度为31晶粒/平方厘米的整体式金属载体，通过浸入r-Al₂O₃，铈乙酸盐和氧锆基乙酸盐的含水悬浮体中，吹掉多余的涂敷材料，并得到涂敷嵌衬。在120℃下烘干，在700℃下煅烧1小时，载体中有25g的Al₂O₃，5g的CeO₂和1g的ZrO₂。然后，浸放在Pt（NH₃）₄（OH）₂和Rh（NO₃）₃的溶液中作为预催化剂段，并在300℃下烘干。当载体已被涂覆后，催化剂含有按重量比Pt∶Rh＝5∶1的贵重金属0.36g。

例6.

例3和例5的催化剂被组合在如图3所示的二冲程二轮摩托车的排气装置中。如例4那样进行试验。

下面是得到的排放值：

CO HC NO_x

g/km    g/km    g/km

没有催化剂    6.86    10.15    0.016

有催化剂    1.10    1.45    0.014

相比例4所得的结果，本例中的转换率明显的高。对于CO的转 换率为84%，在几乎同样的NO_x排量的情况下，对于HC为86%。因此，这种设计尤其适于将来更为严格的排放限制的情况。

如果在图3的装置中只用例5中的催化剂，则不能得到高的转换率，这是因为没有锥形预催化剂系统，使温度水平太低的缘故。

如果例5的催化剂在预催化剂（图3）的区域中更靠近发动机，气体动力过程将受到干扰，发动机的输出功率会降低，因此，这种安置是不可行的。

Claims (5)

1、用于内燃机，特别是两冲程发动机废气的催化净化装置，包括一个外管和一个带孔的内管，后者设置在外管中，内外管之间形成环形间隙，在内管的一面或两面涂有催化活性层，其特征在于，外管作为排气管的一部分，外管直径在其长度方向是变化的，从而在排气管中形成一个膨胀室，内管和外管之间的环形间隙在两端都是开口，由至少一块与内外管连接的连接板使两管之间的间隙得以形成，所述的间隙可被内管中的定出物或珠形物所阻断，内管在其整个表面均带有孔，外管的内径与内管外径比率范围在1.01至1.20的范围。

2、按照权利要求1所述的装置，其特征在于，内管有着与外管相应的形式，使得两管之间的环形间隙的横剖面不变。

3、按照权利要求1或2所述的装置，其特征在于，内管上的圆孔的直径的范围为0.75毫米至10毫米，最好是1.5毫米至6毫米，孔的总表面积占内管的总表面积为5%至80%，最好是20至60%。

4、按照权利要求1至3中任一次所述的装置，其特征在于，内管由同样涂覆催化活性层的金属网，拉伸的金属或其它带孔的管所环绕和嵌衬。

5、按照权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，该装置作为预催化剂系统置放于整体已催化剂系统（6）之前。

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