CN1259061A - 尤其用于净化小型发动机排气流的金属催化剂载体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种净化排气(2)用的金属催化剂载体(1),它尤其设计用于小型发动机。此金属催化剂载体(1)有一纵轴线(10)以及在其内部有许多流动途径(6、7)。按本发明流动途径(6、7)设计为,使排气流(2)在进入催化剂载体(1)内时总体上按这样的方式偏转,即它至少获得一个相对于纵轴线(10)垂直的分量;以及,排气流的至少一个分流(6)在再次偏转后以至少一个沿纵轴线方向的分量通过流体出口面(4)流出。

Description

尤其用于净化小型发动机排气流的金属催化剂载体

本发明涉及一种按权利要求1前序部分所述用于净化排气流的金属催化剂载体。

此类金属催化剂载体是已知的。用于净化内燃机排气流的金属催化剂载体原则上可分为轴向式催化剂和径向式催化剂。

例如在US 4842954中介绍的已知结构方式的轴向式催化剂有一些光滑的和波形的交替薄片层，它们卷绕成板叠状蜂窝结构。这种轴向式催化剂通常有一外套并被沿轴向穿流，其最常见的结构形式是圆柱形的，排气流在进口端面供入以及在出口端面重新流出。处于波形薄片的波纹之间的一个个流动通道彼此隔开，所以在催化剂载体内发生纯轴向流动。为了提高这种催化剂的效率，曾试图强化在流动通道内的流体紊流度，例如在EP0152560B1中所介绍的那样通过将由波纹构成的流动通道的一些部分相对于其纵向长度侧向错移地布置。尽管由于这种板叠式的层状结构使排气流沿纵向受到干扰，然而基本上不发生沿径向的流动分量。在配备小型发动机的设备中，如手锯、割草机等，没有用于轴向式催化剂的位置。因此若使用轴向式催化剂将导致不希望地加长排气管道。

例如由WO96/09893已知径向式催化剂。这种已知的作为催化剂载体的蜂窝体由一些互相靠放的圆片构成，在这些圆片中加工一些通道，排气流沿径向流过这些通道。这种圆片式结构的蜂窝体的端面是封闭的。尽管采用这种径向式催化剂可以缩短其安装长度，然而排气流通过这些由蜂窝结构形成的通道的流动途径其长度受到限制，同时，在排气流沿径向从催化剂排出时，其中装入真正的催化剂载体的排气系统壳体的外部尺寸要比较大。为了提高此类催化剂的效率也要求有更长的流动途径。然而更长的径向流动途径与结构紧凑性的要求不一致，尤其在配备小型发动机的设备中更是要求这种紧凑性。与此同时应当考虑到从健康和环境保护的观点出发在配备有内燃机的工作设备中使用催化剂具有越来越重要的意义。

因此本发明的目的是创造一种催化剂载体，它特别适用于净化小型发动机的排气流，它能在结构尺寸小、高度紧凑、有强的净化能力及高的净化效率的同时方便和经济地制造，以及能良好地适应壳体内不同的空间条件。

此目的通过一种具有权利要求1所述特征的金属催化剂载体达到。在从属权利要求中说明了合乎目的的发展。

按本发明，用于净化尤其小型发动机排气流的金属催化剂载体有一纵轴线和在其内部有许多流动途径。流动途径设计为使排气流在进入催化剂载体内时总体上按这样的方式偏转，即它至少获得一个垂直于催化剂载体纵轴线定向的流动分量。这意味着排气流在进入催化剂载体内时总体上偏转，并因此总体上给予排气流一个垂直于催化剂载体的流动分量。接着，排气流的至少一个分流通过相应设计的流动途径再次偏转，而且偏转成使至少此分流以至少一个沿纵轴线方向的流动分量通过流体出口面从催化剂载体流出。

由于排气流进入催化剂载体内时获得了一个垂直的流动分量，换句话说此催化剂载体至少在这一区域内设计为径向式催化剂，以及，由于排气流的至少一个分流接着借助于相应设计的流动途径而再次偏转成使排气流的此分流至少有一个沿纵轴线方向定向的流动分量，换句话说此催化剂载体在此区域内起轴向式催化剂的作用，所以在这里径向式催化剂与轴向式催化剂的优点得到了统一。从而创造了一种金属催化剂载体，它有结构尺寸小的高度紧凑性，有强的净化能力以及高的净化效率，除此以外它还能经济地生产。因此有可能为设有小型发动机的工作设备配备这些催化剂，它们首先在短时工作时也是有效的，而且满足生态学方面及为了有益于健康提出的日益提高的要求，与此同时不会明显提高此类工作设备的价格或增大其尺寸。按本发明的催化剂载体在其尺寸上也易于适应给定的安装条件。

按一种最佳实施例，金属催化剂载体有一个空心的内部区，它围绕着纵轴线以及以催化剂载体上的流体进口面为界。排气流经过此空心的围绕着纵轴线的区域供入催化剂载体内部，并通过流体进口面进入在催化剂载体里面的流动途径。此流体进口面尤其还可以设计为沿流动方向略呈漏斗形亦即锥形缩小，在径向式催化剂中这对于流动的均匀分布是十分有利的。

按另一种最佳实施例，排气流在进入流体进口面后从内沿径向向外流动，以及接着至少排气流的一个分流沿轴向在端面通过流体出口面流出。这意味着流体出口面既由催化剂载体的端面也由它其余的外表面构成。通过将在催化剂载体内的流动途径按这样的方式设计，即，使排气流首先沿径向导入流动途径内，但接着借助于在催化剂载体内适当偏转的流动途径导引成沿轴向，使排气流在端面通过流体出口面流出，因此可以减小要不然在纯径向式催化剂的情况下所要求的比较大的垂直于催化剂载体纵轴线亦即沿径向的尺寸，同时加长了在按本发明的催化剂载体内的流动途径。此外，有许多分支的流动途径在降低压力损失的同时提高催化剂的效率。取决于结构方式，还有可能附加地获得良好的消音特性。

按另一种最佳实施例，流动途径设计为使排气流各有一个分流在两个端面处流出流体出口面。在这种实施例中，催化剂载体内部的流动途径从中心区起由垂直于纵轴线的方向经相应的偏转改变成沿纵轴线的方向后朝两个相反的方向导向流体出口面的端面。排气流在这两个端面最好以等量的分流排出。

按本发明的另一种最佳实施例，流动途径最好设计为，使供入催化剂载体的总排气流与沿轴向流出的分量之间的差值得出的剩余排气流沿径向从流体出口面流出。因此，按这种实施例的催化剂载体在其内部有一些流动途径，它们将排气流分成一个规定的导向流体出口面的两个端面或一个端面的分流，以及一个由此得出的剩余排气流，它沿径向导向其余的外部流体出口面。

按一种最佳实施例，催化剂载体有带许多孔的薄片，孔的边成形为套管状或漏斗状。这些套管或漏斗在薄片内加工许多孔时按这样的方式生成，即，这些孔不是通过传统的钻孔法制成，而是采用了一种方法，这种方法保证将要从原来的孔区除去的薄片材料按深冲工艺的方式拉伸成凸出的边。这些凸出的边在薄片彼此叠置成板叠时最好构成定距器，在这种情况下设计成套管状从薄片伸出的边有这样一种形状，即，当薄片彼此叠置时，边仅以其距薄片表面最远处的部分确定它们的间距，而在边的其余部分与在此薄片对面的那个薄片之间构成流动空隙。借助于此流动空隙，使得从内部沿径向送入催化剂载体的排气流沿轴向导引，亦即至少沿轴向导引排气流的一个分流。

由此，当排气流通过催化剂载体流动时获得较长的流动途径，这种长的流动途径保证与相应地涂覆在薄片表面上的催化剂发生强烈的催化反应。

按另一种最佳实施例，催化剂载体由设计为条状的薄片组成，薄片内加工了一些孔。这些薄片在互相隔开距离的连接部位相互牢固连接。这种连接可按已知的方式借助于如熔焊、粘结、钎焊等方法实现。若展开由这种设计为条状的薄片组成的板叠式蜂窝体，便获得了一种蜂窝结构，它一方面有只沿径向的流动通道，另一方面有通过这些孔造成的有至少沿轴向的流动方向分量的流动通道。构成板叠的薄片前后排列，其中，前后排列薄片的连接部位彼此交替错开。最好沿薄片宽度延伸的连接部位最好设计成线状。采用设计为线状的连接部位允许有良好的伸展能力，尤其当这种层状的薄片板叠结构要成形为基本上圆柱形的空心体时，这种良好的伸展能力便起重要作用。

不过连接部位沿薄片的宽度也可以倾斜地延伸。因此在薄片叠置结构展开时获得倾斜延伸的流动通道。这些倾斜延伸的流动通道既有径向流动分量又有轴向流动分量。

按另一种最佳实施例，制成条状的薄片的连接部位设计成平面状的。在平面状连接部位的情况下展开时可由薄片叠承受的力大于仅仅为线状的连接部位。连接部位最好设计为基本上三角形或梯形。这样设计的优点是，当薄片叠卷绕成一个基本上圆柱形空心体时可以避免在空心体外表面上要不然会出现的曲拱。

薄片的连接部位最好粘结、钎焊或熔焊，尤其是超声波焊接。

按另一种最佳实施例，金属催化剂载体设有至少一种制有波纹的薄片，它有许多从波纹伸出的结构。这些结构基本上沿催化剂载体的纵轴线方向延伸并构成与之垂直的穿流横截面。由此可实现流动方向既横向于催化剂载体的纵轴线，又沿其纵轴线方向。这种由波纹状及设有从波纹伸出的相应结构的薄片组成的催化剂载体也称为具有纵向流动元件的催化剂载体。这些结构最好有规则地排列并相对于沿催化剂载体的纵向延伸的波纹错开布置。这些结构类似于用于热交换器的涡流室。

按另一种最佳实施例，催化剂载体由控制的金属板网构成，为了形成板叠式结构板网多次互相叠置。通过金属板网不同层的多次互相叠置，这种叠置可以按板叠方式或通过卷绕实现，获得了一种板叠状结构，这种结构既包括沿垂直于纵轴线方向的流动通道，又包括沿与此纵轴线同轴的方向的流动通道。之所以能做到这一点是基于这一事实，即，金属板网如已知的那样经过真正的拉伸过程后便不再是完全平的。因此在此金属板网的多层彼此叠置后构成空隙，这些空隙确定了流动途径，它们保证排气流至少有一个沿轴向的流动分量。

按另一种最佳实施形式，金属催化剂载体由金属丝构成，为了构成束捆式结构，金属丝方向交替变换地互相叠置。在这种情况下金属丝最好基本上有规则地叠置。通过金属丝频繁地以交替变换的方向叠置成为一个束捆式丝团，在催化剂载体内部形成了一些流动途径，它们沿径向定向或保证至少有一个沿径向的排气流的流动分量；以及形成了一些流动途径，它们沿轴向定向或保证至少有一个沿轴向的排气流的流动分量。

按本发明的上述种种实施例的催化剂载体通过在结构尺寸给定时加长在催化剂载体内部排气流的流动途径，一方面综合了径向式催化剂和轴向式催化剂的优点，而且除此之外还有这样的优点，即在轴向式催化剂中所需要的外套以及在径向式催化剂中所要求的端盖均不再需要。由此还降低了生产成本并使按本发明的催化剂载体特别适用于小型发动机的排气系统中。

应当指出，按本发明的蜂窝体也可以按特别简单的方式设净化涂层和/或催化活性涂层，因为存在许多不同的流动途径，所以这些涂层可通过浸渍或喷洒从不同的方向进行涂覆。除去多余的涂覆材料可例如通过紧接着使催化剂载体绕其纵轴线旋转非常明确和均匀地完成。

下面借助于实施例并参照附图进一步说明本发明的其他优点和应用可能性。其中：

图1在排气管壳体内按本发明的催化剂基本结构和流动途径原理图；

图2a按本发明的一种实施例的基本结构局部剖面图；

图2b按图2a的结构局部剖切侧视图；

图3形式上为蜂窝结构的按本发明的另一种实施形式。

图4a前后排列的条状薄片线状连接部位；

图4b前后排列的条状薄片倾斜排列的线状连接部位；

图4c前后排列的条状薄片平面状连接部位；

图4d前后排列的条状薄片三角形连接部位；

图4e前后排列的条状薄片梯形连接部位；

图5按本发明的另一种实施例；以及

图6按本发明的另一种实施例。

图1表示按本发明的催化剂结构原理及流动途径。催化剂载体1在排气系统壳体8内按这样的方式布置，即，使排气流2经排气管11供入载体1的内部空心区3。内部空心区3就排气流2而言处于下游的端部9是封闭的，所以排气流2在从内部空心区3通过流体进口面5进入紧接着的催化剂载体1时沿径向转向。在载体1内部的流动途径布置为，使排气流2起先继续沿径向流动，接着排气流的一个分流6再次转向，使它基本上沿轴向通过载体1的端面4.1流出。端面4.1以及外表面4.2共同构成流体出口面4。排气流2中没有经流体出口面的端面4.1流出的部分作为剩余排气流7沿径向通过流体出口面4.2流出。催化剂载体1有一纵轴线10。排气流2经排气管11沿纵轴线10方向引入催化剂载体1的内部空心区3。当安装条件要求时原则上也可以选择相反的流动方向，在这种情况下最大的压力损失当然发生在出口处而不是在进口。

图2表示按本发明的催化剂载体结构的第一种实施例。按本发明的催化剂载体的这种结构的基本原理在于，排气流在适当偏转后从内部空心区3相对于纵轴线10垂直地流入流动途径6，以及提供的流动横截面允许流动途径7与催化剂载体1的纵轴线10同轴地定向。

图2a是局部剖视图，其中表示了两个相邻的彼此隔开规定的距离排列的薄片12、13。薄片12、13有相应的孔14，它们在空间上彼此错开。在薄片12、13中的孔14采用已知的方法按这样的方式制造，即薄片12、13在孔14所在区的材料并不去除，而是成形为一个从薄片12、13伸出的套管15。套管15构成一个围绕着孔14周边基本上圆柱形的段，套管状的边指向相邻薄片13的端边取决于制造方法多多少少是随机构成的。它有锯齿形或波纹形的边缘，其中，此边缘离开薄片表面最远的点确定了薄片12、13之间的距离。由于这种锯齿形或波纹形的在上部的边缘，因而在相邻的薄片13与此相应的上部边缘之间形成了流动空隙16。

流入圆柱形套管段的排气分流可以借此偏转，流动方向从垂直于纵轴线改变为沿与纵轴线同轴的方向或反之。由此保证在进入催化剂载体1中时总体上偏转的排气流有至少一个分流6，在再次或多次转向后沿纵轴线10的方向通过流体出口面4.1流出。图2b表示图2a所示实施例的侧视图，而且同样是局部剖面图。

图3表示按本发明的金属催化剂载体1另一种实施例。这种催化剂载体1的基本构件是由许多并列地布置的条状薄片12、13构成的，它们在相应的连接部位17、19、20、21互相牢固连接，在这个起先基本上块状的构件展开或拉开时形成扁平的蜂窝结构件。一方面蜂窝结构件的一个蜂窝构成流动通道，另一方面通过在条状薄片12、13中所制的与相邻薄片图案相同地布置的孔形成流动通道，这些流动通道垂直于由蜂窝结构件的蜂窝构成的流动通道延伸。

为了制造催化剂载体1，将此起先扁平的蜂窝结构件围绕着一个心棒放置，心棒的轴线构成催化剂载体1的纵轴线10。由此形成从载体1的纵轴线10沿径向向外延伸和扩张的流动通道，它们将剩余的排气流7沿径向从载体1的内部空心区3向外通过流体出口面4.2引出。蜂窝结构也可以围绕一锥形心棒放置，在这种情况下条状薄片和/或薄片间连接面的形状必要时应相应地适应于这种使用条件。

排气流2通过孔18偏转，所以排气流2的分流6偏转为沿与载体1纵轴线10同轴的方向。将蜂窝结构件的各个蜂窝25沿横向彼此连通的孔18有一种细长的基本上矩形的形状。但是孔18的形状也可以设计为与矩形不同的形状。同样地，孔18的边缘也可以设计成带套管状的边，如参照图2所说明的那样，在这里这种套管状的边用于改善沿与催化剂载体1纵轴线10同轴的方向的流动导引。

图4a表示条状薄片12的前视图。条状薄片12有线状连接部位17，薄片12在这里借助于已知的方法，如粘结、钎焊、熔焊、最好是超声波焊接，与相邻的薄片13连接。按图4b，这些线状的连接部位倾斜地排列。在薄片叠彼此拉开后形成的流动通道25，在这种情况下既有沿轴向的也有沿径向的流动分量。

在图4c中连接部位设计为矩形的平面状连接部位19。

因为在卷绕有按图4a的连接部位17的扁平蜂窝结构件时与在成形为基本上旋转对称的催化剂载体1外圆周面上理想的圆柱体形状形成桶形的偏离，所以按图4d将连接部位设计为三角形平面状连接部位20。由此做到在围绕一心棒卷绕按图3的扁平蜂窝结构或将它放置成一种基本上旋转对称的形状时，这种旋转对称的形状在外表面基本上是理想的圆柱形。按图4a这些连接部位也可以设计为形式上为平面状连接部位21的梯形。

图5表示本发明另一种实施形式。所表示的构件只是一个局部，用来说明彼此相邻排列的薄片层12、13的基本结构。薄片的横截面形状设计为波纹状，其中沿波纹22的纵向，局部区23作为一种结构相对于沿纵向延伸的波纹22侧向错开，由此构成在侧面的流动孔。当这种薄片叠被卷绕后，在径向入流时从催化剂载体1内部空心区3供入的排气流2便沿径向导入催化剂，并在那里再作为分流6将运动方向改变为沿着轴向，因此分流6可从催化剂载体1在端面的流体出口面4.1流出。剩余排气流7则不同，它可沿径向，亦即横向于催化剂载体1的纵轴线10通过流体出口面2流出。

图6表示设计为空心圆柱形催化剂载体1的原理图，它通过多次叠绕金属丝构成，在卷绕金属丝时它的卷绕方向是变化的。由此构成了一种线圈式催化剂载体1，它有在端面的流体出口面4.1和内部空心区3。通过金属丝24在卷绕时改变方向，在这种催化剂载体的内部形成了一些流动途径，它们垂直于此催化剂载体1的纵轴线10以及与纵轴线同轴地定向，所以供入催化剂载体1的排气流2的分流6在进入时偏转为沿径向，以及排气流的至少一个分流经再次偏转后与纵轴线10同轴地通过在端面的流体出口面4.1流出。

应用于催化剂载体的薄片或为此所用的金属板网或所采用的金属丝24，最好在催化剂载体制造前已经涂覆有催化活性材料。

本发明提供了一种用于小型发动机排气系统的价廉物美和能方便地适应不同安装条件的催化剂，它可以在很大的程度上降低排气的有害成分。

Claims (20)

1.用于净化尤其小型发动机排气流(2)的金属催化剂载体(1)，它有一纵轴线(10)以及在它内部有许多流动途径(6、7)，其特征为：流动途径(6、7)设计为使排气流(2)在进入催化剂载体(1)内时总体上按这样的方式偏转，即它至少获得一个垂直于纵轴线(10)的分量，以及排气流(2)的至少一个分流(6)在再次偏转后以至少一个沿纵轴线(10)方向的分量通过流体出口面(4)流出。

2.按照权利要求1所述的金属催化剂载体(1)有一个在内部的围绕纵轴线(10)的空心区(3)，它以流体进口面(5)为界。

3.按照权利要求1或2所述的金属催化剂载体(1)，其中，流动途径(6、7)设计为，使排气流进入流体进口面后沿径向向外以及至少排气流的一个分流(6)接着沿轴向在端面通过流体出口面(4)流出。

4.按照权利要求3所述的金属催化剂载体(1)，其中，流动途径(6、7)设计为，使排气流各有一个分流(6)在两个端面(4.1)处从流体出口面(4)流出。

5.按照权利要求3或4所述的金属催化剂载体(1)，其中，流动途径(6、7)设计为，使由排气流(2)与沿轴向流动的分流(6)之差得出的剩余排气流(7)沿径向从流体出口面(4)流出。

6.按照权利要求1至5之一所述的金属催化剂载体(1)，它的薄片(12、13)有许多孔(14)，孔的边(15)成形为套管状。

7.按照权利要求6所述的金属催化剂载体(1)，其中，在彼此相叠的薄片(12、13)中边(15)构成定距器，定距器背离薄片(12)的那个边缘(15)制成这样的形式，即当薄片(12、13)彼此相叠时在边缘(15)与放在它上面的薄片(13)之间构成流动空隙(16)。

8.按照权利要求1至5之一所述的金属催化剂载体(1)有一些制有孔(18)的薄片(12、13)，它们设计为条状并在互相隔开距离的连接部位(17、19、20、21)相互牢固连接，所以展开后形成蜂窝结构，它的流动通道(18、25)有沿径向和轴向的流动方向分量，其中，前后排列的薄片(12、13)的连接部位彼此交替地错开。

9.按照权利要求8所述的金属催化剂载体(1)，其中，连接部位(17)沿薄片(12)的宽度设计成线状。

10.按照权利要求9所述的金属催化剂载体(1)，其中，连接部位(17)沿薄片(12)的宽度倾斜延伸。

11.按照权利要求8所述的金属催化剂载体(1)，其中，连接部位(19、20、21)设计为平面状的。

12.按照权利要求11所述的金属催化剂载体(1)，其中，连接部位基本上设计为三角形(20)或梯形(21)。

13.按照权利要求8至12之一所述的金属催化剂载体(1)，其中，薄片(12、13)的连接部位(17、19、20、21)粘结、钎焊或熔焊，最好超声波焊接。

14.按照权利要求1至5之一所述的金属催化剂载体(1)有至少一种制有波纹(22)的薄片(12)，薄片有许多从波纹(22)伸出的结构(23)，它们基本上沿纵轴线(10)的方向延伸并构成与之垂直的穿流横截面。

15.按照权利要求14所述的金属催化剂载体(1)，其中，结构(23)规则地排列并设计为互相错开。

16.按照权利要求1至5之一所述的金属催化剂载体(1)，它有拉制的金属板网，为了构成板叠式结构，板网多次互相叠置。

17.按照权利要求1至5之一所述的金属催化剂载体(1)，它有金属丝(24)，为了构成束捆式结构，金属丝方向交替变换地互相叠置。

18.按照权利要求17所述的金属催化剂载体，其中，金属丝(24)基本上有规则地叠置。

19.按照权利要求17或18所述的金属催化剂载体(1)，其中，这种束捆式结构设计成丝团。

20.按照权利要求1至19之一所述的金属催化剂载体，它设计为圆柱形空心体，它的流体进口面(5)是空心体的内表面，它的流体出口面(4)至少包括空心体的端面(4.1)。

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