CN1157531C - 含催化装置的用于二冲程发动机的消音器及其催化装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种含催化装置的用于二冲程发动机的消音器。催化装置为一根催化喷涂的穿孔管，它能够从位于消音室内的排气管的出口端伸入。这种设置使得能够将这种催化装置改装到现有tuk-tuk车的排气系统，从而有望大大减少tuk-tuk车排出的废气流的污染。

Description

含催化装置的用于二冲程发动机的消音器及其催化装置
技术领域
本发明涉及一种含催化装置的用于二冲程发动机的消音器。
背景技术
由于燃料及以一定比例加在燃料中的润滑油的不完全燃烧，二冲程发动机排出大量的碳氢化合物。因此，二冲程发动机对空气的污染要比按发动机额定功率估算的高。因此有必要改善这种发动机的废气净化。
二冲程发动机广泛使用在如电锯、电动艇、割草机、摩托车(两轮挂车)和所谓的tuk-tuk车(三轮车)等低功率装置中。大部分这种机车仅仅装有一个通常包括排气管道的消音器，该排气管道伸入与其同轴安装的消音室中。消音器含有一个用吸音垫填充的金属圆柱体。排气管在消音室区段的部分要穿孔，以便废气脉冲能够进入排气管与消音室间的环形间隙。最常见的，消音室由安装在两个法兰盘间的一根金属管组成。
关于催化净化这些发动机的废气已有许多提议。例如：欧洲专利0431405 B1描述了一种二冲程发动机的废气净化系统，其包括一根外管和安装在外管中的一根穿孔内管，内管的一面或两面涂有催化活性的涂层。两管之间形成了一个间隙。这种结构可以作为排气管路的一部分，也可以作为膨胀室的一部分。它能够除去废气中30～60％的一氧化碳和碳氢化合物。通过使用管状催化剂作为催化管路下游的主催化剂的预催化剂，可以进一步提高转化率。
欧洲专利0473081 A1描述了一种废气净化装置，其中，采用带有催化剂的催化塔板的方式净化发动机排气口排出的废气。催化塔板安装在一个圆柱形的消音器中，这个圆柱形的消音器也是作为连接到发动机排气口的排气管路的一部分。将催化塔板安装成使其从排气管路的横截面的中心纵向贯穿排气管。
已知的用于二冲程发动机的净化装置的解决方法，仅仅适用于作为原件或整套部件装到新生产的二冲程发动机上。已知的废气净化装置不适于被改装到大量的现有摩托车和tuk-tuk车的排气单元，因此这些机车的废气就无法得到净化。此外，如果催化剂由于过热或基体金属中毒而失活，就必须更换整套机车的废气净化系统。这是非常昂贵的。
发明内容
本发明的目的旨在通过提供一种含催化装置的用于二冲程发动机的消音器来解决现有技术的这些问题，其中，催化装置成本非常低廉并且可以又简单又快速地更换。此外，通过改装消音器的催化装置，可以很容易地将tuk-tuk车现有的消音器改装成本发明所述的消音器。
通过一种含催化装置的用于二冲程发动机的消音器可以达到上述目的，该消音器包括：
a)一个有前端面和出口端面的细长消音室(50)，
b)一根排气管(20)，它的出口从前端面伸入到消音室，并且在其出口端有一个终端法兰(22)，这个终端法兰相对于所述的出口端面置于内部，并且消音器内的排气管部分有穿孔(24)，
c)一个排气单元(40)，其包括一个出口挡板(41)和一根输出尾管(42)，以便排出废气。
以可拆装的方式将排气单元(40)的出口挡板紧固到终端法兰(22)上，由此使出口挡板紧压在消音室的周边，从而消音室的出口端面与排气单元紧密配合。
这种消音器的特征在于，消音器进一步包括一个催化装置(60)，这种催化装置包括一个涂有催化涂层的圆筒状整体式载体，而且该载体上固定有一个安装法兰(62)，该安装法兰可更换地固定到排气管的终端法兰上，以便于能够简单快速地更换催化装置。
为了提高消音室的消音效果，可以用吸音垫填充消音室和排气管之间的消音间隙。
所述消音室有下列优点：
·易于将催化装置改装到tuk-tuk车的现有排气单元上，以便将其消音器转变为本发明所述的消音器，从而，有望大大减少tuk-tuk车的废气污染。
·在催化涂层被完全损耗的情况下，可以快速更换催化装置。
·由于废气中润滑油和碳氢燃料的有效转变，可以减少排气管穿孔区段和吸音垫的结垢，从而延长了这些吸音垫的使用寿命。
·插入的催化装置对消音器产生的背压力具有最小的影响。
·成本非常低廉。
为了进一步阐述本发明，现在参照图1～8介绍消音器的一些具体
实施例。
附图说明
图1：是一种用于二冲程发动机的废气净化系统的一个侧面示意图。
图2：是本发明所述的消音器的一个侧剖视图。
图3；是排气管路的一个侧剖视图。
图4：是消音室的一个侧剖视图。
图5a)：是用于净化废气的催化装置的实施例1的一个侧剖视图。
图5b)：是催化装置的安装法兰的一个前视图。
图6a)；是消音器的排气单元的一个侧剖视图。
图6b)：是排气单元的出口挡板的一个前视图。
图7：是本发明所述的第一个实施例的可更换催化装置。
图8a)：是用于净化废气的催化装置的第二个实施例的一个侧剖视图。
图8b)：是催化装置的安装法兰的一个前视图。
具体实施方式
图1是一种用于二冲程发动机(10)的排气单元的侧面示意图。发动机的废气排放到排气管(20)，然后流过消音器(30)。从消音器排出的气体经由尾管(42)排放到大气中。
本发明所述的消音器是基于tuk-tuk车的现有排气单元。
图2是本发明所述的消音器的具体实施例的一个侧剖视图，其中消音室是夹在两个挡板之间的一根简单的管，并且排气管和消音室之间的间隙填充了吸音垫。消音器由4个独立子系统组成：
·排气管(20)，
·消音室(50)，
·催化装置(60)，和
·排气单元(40)。
图3～7是用来详细说明这些子系统的。现在先说图3，是排气管(20)的一部分的侧剖视图。排气管有一个进气口，这里没有画出，和一个排气口(23)。废气从进气口流到排气口。一个终端法兰(22)固定到排气管的排气口。
图3所示的是排气管在排气口上游的细长直管部分。排气管装有一个附加法兰(21)，这个法兰固定在进气口下游，终端法兰上游的排气管部分。终端法兰的直径比上游法兰(21)的直径小，以便它能伸入到消音室内。这些法兰可以通过任何合适的方法如焊接或钎焊固定到排气管上。上游法兰和终端法兰之间的排气管部分沿其外表面分散有穿孔(24)。
图4所示是消音室的一个侧剖视图。消音室为细长管形。在这个具体实施例中，管状消音器的前端面和出口端面是打开的。管状消音器的横截面可以是任意方便的形状，优选为环状。上游法兰(21)的横截面和图6中所示的排气单元(40)的出口挡板(41)的横截面都与消音室的横截面相一致，但稍大一些，以便消音室能够气密性地夹紧在上游法兰和排气单元的出口挡板之间。
在组装的状态下，带有终端法兰(22)的排气口(23)是位于消音室内的。终端法兰平行于消音室的出口端面，但它置入其中以便与催化装置(60)的安装法兰(62)相匹配，如图5所示，从而使安装法兰(62)位于排气管的终端法兰(22)和排气单元(40)的出口挡板(41)形成的间隙中。
为了将消音室夹紧在上游法兰和排气单元的出口挡板之间，排气管的终端法兰(22)上要穿孔，其中螺栓(25)穿过这些孔伸出至消音室的外面。在终端法兰(22)上优选只拧两个螺栓。但是，根据对消音器牢固程度的要求，也可以拧三个或更多个螺栓。
图5a)和b)是本发明所述催化装置的一个实施例的详细图解。图5所示的是一个包括带孔(64)的穿孔或冲孔管(61)的整体式催化装置，其中管的外径小于排气管的内径，并且通过一个与排气管的终端法兰(22)相匹配的安装法兰(62)安装。在图5所示的催化装置实施例中，安装法兰(62)与穿孔管的排气口(65)平齐地安装。
安装法兰(62)上有与终端法兰(22)的螺栓相匹配的通孔(63)。在催化装置的穿孔管的一面或两面涂有适于将废气中所含的污染物转化为无害物质催化剂。
图6a)和b)是排气单元(40)及其安装到其上的出口挡板(41)和尾管(42)的一个侧剖视图。出口挡板的形状要与消音室相匹配，以便消音室能够用这个挡板气密性地与出口挡板紧密配合。为了排放废气，出口挡板装备有一个尾管(42)。
出口挡板上有通孔(43)以安装法兰盘(22)的螺栓。
现在回到图2，进一步详细说明这四个子系统的协同运作。如图2所示，催化装置(60)的穿孔管从终端法兰(22)的一边插入到排气管中，直至它的安装法兰(62)与终端法兰(22)靠紧时，同时穿过安装法兰(62)的通孔(63)拧上螺栓。安装法兰通过紧固螺母(80)与螺栓可更换地安装到终端法兰上。
通过将螺母(90)拧到螺栓上，将消音室(50)气密性地夹紧在上游法兰(21)和出口挡板(41)之间。
可以用吸音垫填充排气管与消音室之间的间隙(70)。为了简明起见，图2中没有画出这个吸音垫。伴随废气的噪音通过排气管上的穿孔(24)进入吸音垫并被垫吸收。
催化装置是消音器的一个重要部分。下面详细介绍几个实施例。
催化装置包括一个涂有催化涂层的圆柱形整体式载体。所说的整体式载体包括一个圆柱形轴，一个外套表面以及废气的入口和出口端面。这个载体可更换地安装到消音器上。为了达到可更换的目的，在整体式载体的外套表面上安装了一个与其圆柱形轴垂直的安装法兰。
在已参照图5说明的第一个实施例中，整体式载体是由一个涂有催化剂并且外径小于排气管内径的穿孔或冲孔管组成的。这个穿孔管可以逆流方向从排气管的终端法兰伸入到排气管(见图2)中。也可以从终端法兰顺流伸入到排气单元的尾管中。根据图7，穿孔管从安装法兰(62)以顺流或逆流两种方式伸入都是可能的。
气体净化是通过气体与催化装置的催化涂层的接触来实现的。可以在任何方便的横断面上穿孔。它们都是为了提高气体的紊流并因此增加气体与催化涂层的接触。为了进一步加强这种效果，可以从管外套表面的顶部或底部穿孔。穿孔也能够使得与在消音室与排气管之间的环形吸音室进行废气交换，以便催化装置不会过多地影响消音室的消音效果。
催化装置穿孔管的长度可以根据污染物转化的需要来确定。穿孔可以限制在管的特定区段。为了能够在消音室与排气管之间的消音空间进行废气交换，这些区段也应该位于排气管的穿孔区域内。
穿孔的总面积可以占到管外套表面的10～80％。在10％以下，催化装置将会过分影响消音器的消音效果。在80％以上，涂有催化涂层的剩余管外套表面将太小，以致于不能有效地净化废气。具有环形截面的孔直径3mm，间距6mm和直径2mm，间距3.5mm的孔就已经能够有效降低二冲程发动机排出的污染物了。
根据催化装置的第二个实施例，如图8所示，整体式载体是由一个其上涂有催化涂层的蜂窝形壳体(66)组成的。此外，蜂窝状载体可以从终端法兰盘逆流或顺流或以两种方式伸入到排气管或排气单元的尾管。这就要求整体式载体的外径小于排气管或尾管的内径。最优选的这种蜂窝状载体可以安装在终端法兰和排气单元的出口法兰之间，而不伸入到排气管中。
蜂窝形整体式催化剂载体在四冲程发动机的净化中是很方便的。如现有技术众所周知，这些载体可以通过陶瓷材料的压制或由波形金属薄片制得。这种蜂窝形结构从入口平面到出口端面有许多平行的废气导管。蜂窝形导管上每单位截面的导管数称为蜂窝密度。这种蜂窝形壳体的典型蜂窝密度为10～200cm-2。为了保持施加在废气流上的背压力尽可能低，本发明所述的消音器建议采用蜂窝密度低于62cm-2。为了进一步降低背压力，可以在蜂窝状载体上打适当直径的中孔。孔的直径要尽可能大，以便在整体式催化装置的圆周面上仅有一层导管。
由于蜂窝状载体的几何表面积比较大，它的长度可以比穿孔形的催化装置小很多。
上面所述的整体式载体要涂一层合适的催化涂层以转化污染物。如果是蜂窝状载体，导管壁上要涂催化剂。蜂窝状载体的喷涂技术是专家们熟知的。一种用于净化二冲程发动机废气的典型催化涂层是由氧化铝和含质量比为1∶1-20∶1的铂和铑的二氧化铈组成的混合物。氧化铝与二氧化铈的质量比可以在70∶30-40∶60的范围内。根据已知的方法，通过掺入选自于氧化锆、氧化钡、氧化镧及其混合物的稳定剂，可以防止氧化铝和二氧化铈的热分解。催化管上催化涂层的浓度优选为0.5～5克/每平方米管面积。使用这种涂层，碳氢化合物的转化率可以达到30-70％。
可以用下列方法改装和更换废催化装置：
·首先，拧下螺栓(25)上的螺帽(90)，
·拆下排气单元(40)和消音室(50)，
·如果需要，拧下螺帽(80)，以便卸下废催化装置(60)，
·如果有必要，更换废吸音垫，
·将新的催化装置插入出口管(20)，并通过紧固螺帽(80)而将其安装法兰固定到排气管的终端法兰，
·消音室(50)从吸音垫的上方滑过，
·再安装好排气单元(40)，
·通过将螺帽(90)拧到螺栓(25)上，固定消音室。

Claims (7)

1.一种含催化装置的二冲程发动机的消音器，该消音器包括：
a)一个具有前端面和出口端面的细长消音室(50)，
b)一根排气管(20)，它的出口端从前端面伸入到消音室，并且在其出口端有一个终端法兰(22)，该终端法兰相对于所述的出口端面是置于内部的，并且消音器内的排气管部分有穿孔(24)，
c)一个排气单元(40)，其包括一个出口挡板(41)和一根输出尾管(42)，以便排出废气，
以可拆装的方式将排气单元(40)的出口挡板紧固到终端法兰(22)上，由此使出口挡板紧压在消音室的周边，从而消音室的出口端面与排气单元紧密配合，
这种消音器的特征在于，消音器进一步包括一个催化装置(60)，这种催化装置包括一个涂有催化涂层的圆筒状整体式载体，而且该载体上固定有一个安装法兰，该安装法兰可更换地固定到排气管的终端法兰上，以便于能够简单快速地更换催化装置。
2.根据权利要求1所述的消音器，其特征在于：所述整体式载体是由一根其上涂有催化涂层的穿孔管(61)组成，穿孔管的外径要小于排气管(20)的内径，并伸入到所述排气管内。
3.根据权利要求1所述的消音器，其特征在于：所述整体式载体是由一个其上涂有催化涂层的蜂窝形圆柱形壳体(66)组成的，其外径小于排气管的内径，并且从终端法兰盘(22)处逆流伸入到排气管(20)中。
4.根据权利要求1所述的消音器，其特征在于：所说的整体式载体是由一个其上涂有催化涂层的蜂窝形圆柱形壳体(66)组成的，其外径小于排气管的内径，并且从安装法兰(62)处伸入到尾管(42)中。
5.根据权利要求1所述的消音器，其特征在于：所说的蜂窝形圆柱形壳体有一个中孔。
6.根据以上任意一个权利要求所述的消音器，其特征在于：排气管和消音室形成的间隙用吸音垫填充。
7.权利要求6所述的消音器作为净化二冲程发动机排出的废气和降低产生的噪音的用途。
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