CN1258336A - 小型发动机的催化转换器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于小型发动机的催化转换器和其制造方法。为了降低制造成本,在小型发动机的一个装在发动机附近的消音器壳内,一个由至少局部结构化的薄板层(5、6)组成具有排气流动通道(7)及用催化活性物质涂层的蜂窝体按这样的方式设置,即,小型发动机的至少绝大部分排气必须流过蜂窝体,在这种情况下,蜂窝体是一个薄板层(5、6)经层叠、卷绕或折叠而成的堆垛组件,它在至少10%最好20至30%的通道(7)塑性变形的情况下挤压在消音器壳(3.1、3.2、3.3)内,所以蜂窝体完全填满消音器壳的至少部分容积。由于一部分通道(7)明显的塑性变形,所以在其余蜂窝体内也产生大的弹性变形,由于这种弹性变形,即使在交变热负荷作用下仍能保证蜂窝体的稳定性。
Description
本发明涉及一种小型发动机的催化转换器，其中，在装在发动机附近的消音器壳内置有用催化活性物质涂层的蜂窝体。
鉴于日益增强的环保意识和许多国家日益严格的排放规范，强烈地要求不仅在汽车上而且也在小型发动机上进行催化式排气净化。下文中小型发动机指的是排量小于250ccm尤其小于50ccm的发动机。这些发动机主要使用在割车机、机动锯、轻便式发电设备、摩托车和其他类似的应用场合。尤其对于机动锯、割车机和其他的园艺机具，操纵机具的人往往长时间直接处于小型发动机的排气区内，因此催化排气净化就显得十分重要。
由DE-OS3829668已经列举了一个用于二行程发动机的排气消音器的例子，它在其内部含有一个用于排气净化的催化转换器。
由EP0470113B1已知一种金属的催化剂载体，它特别适用于固定在消音器壳的隔板内。
所介绍的这些用于小型发动机催化排气净化的装置需要专门加工的蜂窝体，它的制造、涂催化层以及装配需要比较多的工序才能完成，因此与小型发动机本身及配属的器具相比相当昂贵。为了进一步推广小型发动机的催化排气净化，有必要十分有效地降低此类排气净化装置的成本。
因此本发明的目的是提供一种小型发动机用的催化转换器，它能非常廉价地生产，对已有的小型发动机及其排气装置只要求尽可能少量的结构改变，尽管如此，仍能从排气中催化地消除大部分有害物质。
为达到此目的采用按权利要求1所述的催化转换器，在权利要求11中说明了相应的制造方法。在各从属权利要求中说明了有利的设计。
催化转换器通常含有蜂窝体，以便在排气系统的部分容积内提供用于催化反应的足够大的表面。这些蜂窝体主要用金属薄板制造，其中，使至少金属薄板的一部分按这样的方式具有某种结构(结构化)，即，有效地产生允许流过排气的通道。在最简单的情况下采用交替的平的与波纹形薄板层。当然对于本发明可考虑用各种结构，所以也可以采用具有两种不同波纹的薄板层或具有彼此交替倾斜排列的波纹的薄板层。在先有技术中，迄今通常将一个规定用于蜂窝体的部分容积尽可能均匀地用通道填满，在这种情况下所有已知的制造方法均尽可能避免在将蜂窝体装入排气系统时一大部分通道变形或破坏。尽管蜂窝体偶然也在预紧力状态下组合在套管或机壳内，但是通常通道没有或只有一小部分产生塑性变形。按本发明的方案对于小型发动机的催化转换器不选择这种途径，以便十分有效地简化生产。小型发动机的消音器壳通常有一个比用于安置使排气完全净化的催化剂载体所必要的更大的容积。因此没有最佳地利用存在的容积或使机壳最小化。为此人们可考虑通过塑性变形的通道来部分堵塞一部分容积，不会影响功能或排气净化。这就揭示了这种可能性，作为蜂窝体可简单地使用由涂有催化活性物质的涂层的薄板层经层叠、卷绕或其他的折叠而成的堆垛组件，它在一大部分蜂窝例如10、20或至30％的蜂窝塑性变形的情况下挤压在消音器壳内，所以蜂窝体至少完全填满消音器壳的部分容积。
如下面借助于最佳实施例所说明的那样，此方法有许多加工技术方面的优点，并导致一种简单的经久耐用的催化转换器。
通常用于小型发动机的消音器壳由两个或多个分开的部分尤其是半壳以及隔板组成，它们借助于一种简单的连接过程例如卷边或焊接组合。这些壳体部分可在组合的同时用于蜂窝体成形，无需附加的工具。具有其容积比要填满的消音器壳部分容积大的薄板层堆垛组件。在壳体组合时将其简单地置于规定位置，并在壳体各部分组合时被挤压至它的最终位置和形状。即使通道的15至30％在这种情况下塑性和/或弹性变形，也就是在堆垛组件的侧端和在外边缘区，仍留有足够的允许气体流过的蜂窝，从而保证有效的催化净化。
为避免蜂窝体在消音器壳内沿气流方向滑动，在一种最佳实施形式中，堆垛组件的侧端应固定在壳体的壁上或壁内。
为了简化制造过程，重要之点还包括，薄板在置入消音器壳内之前已经用催化活性物质涂层，为此或采用已涂层的薄板用于全部加工过程，或将预制的薄板层堆垛组件作为一个整体进行涂层。
按本发明的催化转换器的一个突出的优点在于，通道的明显变形一部分是塑性的和一部分是弹性的，所以蜂窝体保持处于预紧状态，预紧力防止在各种工作条件下尤其是受交变热负荷时薄板层松动。在按本发明制造的催化转换器中，蜂窝体一般处于最大预紧力状态，因为它到处超出弹性极限地变形。其结果是，即使随着温度上升使弹性下降，也仍能消除薄板层之间的相对运动。
在这里应当指出，也尤其可考虑将具有所谓横向微结构的薄板层用于本发明，这种微结构在先有技术中是已知的。这些微结构提高了催化反应的效力，除此之外还促使薄板层互相夹紧，所以尤其在处于高弹性预紧力的状态下甚至在最不利的条件下薄板层也不可能相对滑移。若并非所有薄板层而只是一部分通过其端部固定在消音器壳上，也是上述情况。
特别有利的是，要挤压在消音器壳内的堆垛组件，其原始形状与要填满的部分容积的形状以及与在挤压时各地区预期的变形度相匹配，当然，在这种情况下堆垛组件的容积应比要填满的部分容积至少大5％，最好至少大10％。
因此堆垛组件的横截面形状可考虑各种形状，尤其是矩形、梯形、椭圆形或在个别情况下也可采用不规则形状。还应指出，各薄板层若它们的端部在挤压过程结束后仍应伸展到壳体壁或接缝，则沿堆垛组件端部弯曲的薄板层端部应比弯曲得不多的薄板层的长。
特别有利的是，在由至少两部分组成的消音器壳的情况下，堆垛组件受挤压的端部夹紧在这些部分之间的接缝中，以便蜂窝体总体固定。这既可以在由一块块薄板构成的堆垛组件中，也可以在由一块或多块薄板卷绕、折叠或蛇曲状敷设而成的堆垛组件中在端部挤合后实施。此外堆垛组件的端部可包括在迄今使用于组合消音器壳的技术内，所以固定可例如通过卷边、有焊缝的焊接或通过点焊来实现。尤其用卷边时但也在通过焊缝连接时在薄板上的催化活性的涂层一般没有影响，所以不需要附加的为了除去此涂层的工序。
下面借助于附图说明本发明的有利设计和实施例，但本发明不受所表示的实施例的限制。附图表示：
图1 通过一个具有示意表示催化转换器安装地点的消音器壳的纵剖面；
图2 消音器壳的各部分包括一堆垛组件在内即将组装时的横截面；
图3 沿图1中剖面线III-III通过组装后的消音器壳的横截面；以及
图4、5、6、7、及8 由至少局部结构化的薄板层构成的堆垛组件不同形状。
图1在纵部面中示意表示用于小型发动机的消音器壳3。排气通过排气进口1到达消音器壳的下部3.2内，再从那里通过隔板3.3中的孔到达消音器壳的上部3.1内。排气从这里流过蜂窝体4的通道7，然后到达排气出口2。消音器壳的上部3.1和下部3.2以及隔板3.3在接缝3.4区域内互相连接，例如通过卷边或通过焊缝。
图2在横截面内示意表示消音器壳的上部3.1、下部3.2、隔板3.3以及由薄板层5、6组成的堆垛组件8的拼合，其中用箭头表示拼合的过程。在本实施例中，堆垛组件8由交替排列的一块块平的薄板层5与波纹形薄板层6构成，它们共同形成许多允许流过排气的通道7。薄板层5、6涂有催化活性物质10的涂层。这种涂层可或在所有其余工序之前已经在一个连续的过程中涂在薄板层5、6上，但也可以在堆垛组件8层叠后一起涂敷。
图3在沿图1中线III-III的横截面内表示了一个基本上完成组装的带有挤压在里面的蜂窝体的消音器壳。可以看出，在图2中表示为尚未变形的堆垛组件8的侧端9现在已被挤合，此外，在蜂窝体边缘区内也有许多通道7.1发生塑性变形。尽管如此，尤其在蜂窝体的内部区仍留有足够的没有塑性变形的通道，它们足以催化置换反应通过它们流动的排气。然而这些通道7由于在整个蜂窝体上施加的挤压力而存在明显的弹性变形，所以整个蜂窝体处于大的预紧力状态。薄板堆垛组件受挤压的侧端9被夹紧在消音器壳的上部3.1和隔板3.3之间，并可包括在消音器壳一般的连接技术内。如图3右侧所示，这种连接技术可以是卷边3.5。但也可以是图3左侧所示的焊接3.6，它将薄板层5、6、上部3.1、下部3.2以及隔板3.3的端部都包括在内。
在图4、5、6、7、和8中表示要组合在消音器壳3内的蜂窝体4的不同原始形状，作为选出的可能的总体形状。图4表示一种梯形的由平的薄板层5和波纹形薄板层6组成的薄板堆垛组件11，其中，在薄板堆垛组件11侧端区9正好这些薄板层比较长，即它们的端部在组装后到达接缝有较长的距离。因此保证实防上所有薄板层的端部都能可靠地固定住。图5表示了蛇曲形的薄板堆垛组件12.1，其中，一块波纹形薄板层6蛇曲状地叠层，在各层之间各放一块平的薄板5。图6表示了一种类似的结构，但那里只有唯一的一块分段平的和成波纹形的薄板层叠为蛇曲状的薄板堆垛组件12.2。图7表示由平的薄板5和波纹薄板6组成的椭圆形薄板堆垛组件13作为起始堆垛组件。这样一种堆垛组件可按传统的方式通过压平一个借助于圆柱形空腔卷绕的螺旋状薄板堆垛获得。
最后，图8表示一种最佳实施形式，其中只有平的薄板层5才应包含在接缝的连接内。由于这个原因平的薄板层的端部根据它们到达接缝的距离伸出不同的长度。波纹形薄板层6较短，它们各自的长度与消音器壳的横截面形状相适应并在体积上仍设计有一定的富裕量，以后通过塑性变形减少此多余的体积。为避免波纹形薄板层6在加工好的蜂窝体内沿气流方向滑移，平的薄板层5和波纹形薄板层6制有互相形状相配地啮合的结构。为此，特别适用的是横向于流动方向延伸的微结构，如由先有技术已知的那些微结构那样。
本发明采用经济的制造技术创造了这样的可能性，即，即使在小型发动机中也能在广泛的基础上应用排气催化剂，以保护环境和小型发动机的操作人员。
Claims (14)
1.小型发动机的催化转换器，其中，在一装在发动机附近的消音器壳(3)内，一个由至少局部结构化的薄板层(5、6)组成具有排气流动通道(7)及用催化活性物质(10)涂层的蜂窝体(4)按这样的方式设置，即，小型发动机的至少绝大部分排气必须流过蜂窝体(4)，其特征为：蜂窝体(4)是经层叠、卷绕或折叠而成的薄板层的堆垛组件(8)，它在至少10％最好20至30％的通道(7)塑性变形的情况下挤压在消音器壳(3)内，所以蜂窝体完全填满消音器壳(3)的至少部分容积。
2.按照权利要求1所述的催化转换器，其特征为：堆垛组件(8)的侧端(9)固定在壳(3)的壁上或壁内。
3.按照权利要求1或2所述的催化转换器，其特征为：薄板层(5、6)装入消音器壳(3)之前用催化活性物质(10)涂层。
4.按照权利要求1、2或3所述的催化转换器，其特征为：通道(7.1)的变形一部分是塑性的和一部分是弹性的，所以蜂窝体(4)保持处于预紧力状态下，这种预紧力防止在各种工作条件下尤其受交变热负荷时薄板层(4、5)松散开。
5.按照前列诸权利要求之一所述的催化转换器，其特征为：堆垛组件(8)有一个与要填满的消音器壳(3)局部容积的形状相匹配的原始形状，当然有至少超过5％最好至少超过10％的较大的体积。
6.按照前列诸权利要求之一所述的催化转换器，其特征为：堆垛组件(8)在装入消音器壳(3)之前是矩形截面。
7.按照权利要求1至6之一所述的催化转化器，其特征为：堆垛组件(8)在装入消音器壳(3)之前是梯形截面。
8.按照权利要求1至6之一所述的催化转换器，其特征为：堆垛组件(8)在装入消音器壳(3)之前是椭圆形截面。
9.按照前列诸权利要求之一所述的催化转换器，其特征为：堆垛组件(8；11；14)由一块块至少局部结构化的薄板层(4、5)层叠而成，它们的端部被挤合(9)并固定在消音器壳(3)上，最好夹紧在消音器壳(3)两个部分(3.1，3.3)之间的接缝(3.4)内。
10.按照权利要求1至8之一所述的催化转换器，其特征为：堆垛组件(11；12.1；12.2；13)由一块或多块至少局部结构化的蛇曲状铺设或椭圆形卷绕的薄板(5、6)构成，在这种情况下堆垛组件(11；12.1；12.2；13)的侧端分别被挤合并固定在消音器壳(3)上，最好夹紧在消音器壳(3)两个部分(3.1、3.3)之间的接缝(3.4)内。
11.制造在小型发动机消音器壳(3)内的催化转换器的方法，它有下列步骤：
-由至少局部结构化的薄板层(5、6)构成一个堆垛组件(8；11；12.1；12.2；13；14)，它有用于流过排气的通道(7)，
-堆垛组件(8；11；12.1；12.2；13；14)在有至少15％最好20至30％的通道(7)塑性变形的条件下挤压在消音器壳(3)的部分容积内，在这种情况下此部分容积被完全填满；
-受挤压的堆垛组件(8；11；12.1；12.2；13；14)的侧端(9)固定在消音器壳(3)的壁上或壁内。
12.按照权利要求11所述的方法，其特征为：薄板(5、6)在形成堆垛组件(8；11；12.1；12.2；13；14)之前或至少装入消音器壳(3)中之前用催化活性物(10)涂层。
13.按照权利要求11或12所述的方法，其特征为：挤压堆垛组件(8；11；12.1；12.2；13；14)通过组合消音器壳(3)的两个或多个壳的部分(3.1、3.2、3.3)实现，堆垛组件(8；11；12.1；12.2；13；14)夹在这些部分之间。
14.按照权利要求11、12或13所述的方法，其特征为：堆垛组件(8；11；12.1；12.2；13；14)制成略宽于消音器壳(3)，所以它的侧端(9)在消音器壳(3)挤压和组合后在一或两侧从壳(3)伸出，在那里可通过卷边(3.5)或接缝技术的连接(3.6)包含在消音器壳各部分(3.1、3.2、3.3)的连接之内。
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