CN1710262A - 曲折式催化转化器 - Google Patents

Abstract

一种用于内燃机的排气系统(100)，所述排气系统具有：一个壳体(10)，在该壳体中设有至少一个废气进口(15b)和另一个废气排出口(15a)，以及一个催化元件(22)，它布置在排气系统(100)的壳体(10)内，用于以这样一种方式净化内燃机的废气，从而至少废气的大部分流经催化元件(22)，所述排气系统(100)可以容易地以低成本制造，但仍然允许通过催化元件对全部废气进行净化，而不会造成内燃机功率的损失。其中，废气(27)通过一个废气引导装置(17)交替地流过催化元件(22)。

Description

曲折式催化转化器

技术领域

本发明涉及一种用于内燃机的排气系统，该内燃机可以是两冲程或四冲程奥托循环发动机。由于其紧凑的构造，这种排气系统也可以用在手控工具中，如用在汽油驱动的链锯、绿篱修剪机或类似装置中。排气系统由此包括一个壳体，该壳体设有至少一个废气进口和另一个废气排出口。为了防止内燃机的废气未被净化地排出到大气中，一个催化元件另外布置在排气系统的壳体中，从而在全部废气经废气排出口排出到大气中之前，至少使废气的主要部分流经催化元件。

背景技术

在现有技术中已经知道，利用排气系统中的催化元件来减少来自内燃机的污染物的排放。所述催化元件允许以后用包含在其中的组分处理废气。因此使用残余的氧分把废气中的烃分别转化成二氧化碳和一氧化碳。为了尽可能行之有效地保证全部废气流经用于净化的催化元件，应用复杂并因此昂贵的催化元件。通常，为此目的利用涂敷的蜂窝催化剂。这些催化剂借助于复杂的机械构造定位在排气系统中。

然而一个问题在于高的生产费用和引起的这种类型的排气系统的高生产成本。而且，用来定位催化元件的构造引起相当大的流动阻力，这尤其导致内燃机的功率损失。此外，废气在流经催化转化器时经受的温度的显著升高影响后者的使用寿命，从而必须采取另外的技术措施以降低废气温度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有一个上述类型的催化元件的排气系统，该排气系统可以容易地以低成本制造同时仍然允许所有废气由催化元件净化而不会引起内燃机的功率损失。

这个目的由在权利要求1中陈述的特征实现，所述特征如下面将要解释的那样特别重要。

本发明的用于内燃机的排气系统包括一个壳体，在该壳体中设置至少一个废气进口和另一个废气排出口。为了符合越来越严格的环境法规，把一个催化元件布置在排气系统的壳体中，在这些废气被排出到大气中之前，所述催化元件用来至少净化燃烧废气的主要部分。但是为了保证由内燃机产生的所有废气都被净化，设置一个交替地迫使废气流经催化元件的辅助废气引导装置。在废气引导装置中催化元件的具体布置能直接与多个催化元件的串联连接相比，更确切地说能与一个连接在一个后并且经其逐步地引导废气的多个催化元件相比。因而一定能防止废气或部分废气在任何情况下在未被净化的状态下排出到大气中。由于由辅助废气引导装置迫使废气交替地通过催化元件，所以允许几乎完全的化学反应(烃转化)发生以净化废气。按照本发明，措词“交替地流经”是指废气流从交替侧，即例如交替地从顶部和从底部或者从右侧和从左侧，流经催化元件，从而从其进入壳体中到其离开壳体，废气流经过催化元件更具体地说经过其连续部分被引导数次。而且，辅助废气引导装置允许排气系统的特别简单的机械构造，这在以后给出的描述中仍然表明。

更具体地提供成，催化元件是平的，说得更确切些，大体上是平的和平面的，并且催化元件的诸部分这样配置，从而允许废气交替连续地流经所述部分，从而由废气引导装置使废气交替地流经催化元件数次。

结果，催化元件沿其整个长度被最佳地利用，并且能与一个简单的废气引导元件相结合。

因为在按照从属权利要求9的排气系统的一种变型中，优选地像导管(如水或气体导管)那样构造废气引导装置的至少一部分，经其使废气流动的该部分的横截面积的形状并不重要。另外，催化元件仅仅由废气引导装置固定在这个导管状部分中。因而，为了保持催化元件在排气系统中固定，在构造方面不需要另外的措施。

本发明的另一个目的在于通过消散在催化元件中产生的额外热量来增加催化元件的耐久性。这个另外的目的由在该权利要求中陈述的特征实现。

在按照权利要求11的前序的排气系统中，壳体的外壳被用作导管型废气引导装置的一部分。因而，在催化元件中产生的热量的主要部分经壳体的外壳消散。通过如此冷却废气，增加催化元件的耐久性。而且，还能进一步简化排气系统的机械构造。

排气系统的其它有利实施方式在从属权利要求2至19中描述。

为了改进本发明的排气系统的净化效果，催化元件能以这样一种方式布置在废气引导装置中，从而强迫废气交替地从中流过数次。因而，强迫废气在它们排出到大气中之前，在左侧和右侧至少流经催化元件一次。这允许只用一个催化元件实现最佳效果。因而，一个简单的平的催化元件足以实现希望的净化。相比较而言，如果只要实现较低的转化率就足够了，则也能利用部分涂敷的催化元件，这是由于无论如何废气经过催化元件被引导数次。总之，因而能制造一种低成本的排气系统。

在排气系统的一个另外的实施例中，利用建成自支撑的催化元件。这种措施省去对于用来把催化元件定位在壳体内的辅助支撑或保持构造的需要，因为它能够全由本身支撑在壳体中或废气引导装置中。

由于无论如何都强迫废气通过催化元件数次，所以在本发明的排气系统的另一个实施例中，使用网型催化元件就足够了。与蜂窝催化元件相反，网型催化元件具有低得多的流动阻力。为此目的，设有特别涂层的、能以低成本加工产品的形式买到的金属丝网能用作催化元件。通常，所述催化元件也是自支撑的，从而上述优点也适用于这里。而且，这些催化元件能容易地以低成本适用于相应的使用条件，例如通过把它们变形成任何形状。

作为对于网型催化元件的一个替换，打孔板形式的催化元件也可以插入在排气系统中，这种催化元件也呈现出上述的优点。因而，催化元件能包含设有特别涂层的打孔金属板。在打孔板中孔的形状是可选择的。

在一个具体示范实施例中，催化元件布置在废气引导装置中，在这里它由紧固装置保持固定。所述紧固装置由此可以设置在废气引导装置的内部和外部。因为也能使用一种自支撑的催化元件，所以设置在催化元件的一个或两个前侧的一个或两个紧固装置将足以把它们固定在废气引导装置中。例如可以设想，把催化元件在一侧或两侧处夹持在壳体的两部分之间，所述部分用作紧固装置。在这个示范实施例中，有可能容易地实现在废气引导装置中的废气的旁通，从而能容易地调节废气系统的转化率。而且，紧固催化元件的这种具体方式允许排气系统和其有关部分的较大整体加工公差。另外，可以排除取决于热量的形状变化，例如作为冷却之前加热作用下膨胀的结果，因而防止组装部分发出“咔哒”声。

在排气系统的一种变型中，权利要求9中所述的导管型废气引导装置适当地由两个部分建造。结果，特别简单和快速地完成催化元件在废气引导装置中的安装。为此目的，催化元件只需要放置到废气引导装置的第一部分上，以便然后使它与在废气引导装置中的第二部分压缩和摩擦地互锁。

在权利要求11中所述的本发明的已经描述的、特别有利的实施例中，壳体的至少一个外壳形成废气引导装置的一部分。同样，设想导管型废气引导装置的另一部分可以构造成一个偏转壳，该偏转壳由壳体的外壳保持。壳体由此可以包括至少两个外壳，即一个后壳和一个前壳。这两个壳的一个能选择成用作废气引导装置的一部分，是废气引导装置的另一部分的偏转壳通过与另一个外壳组装而被保持。因而，本发明的排气系统能容易地以低成本生产。

如果偏转壳(即废气引导装置的第二部分)和壳体的一个外壳由一个部件制成，则提供排气系统的另一种变型。因而，设想壳体和废气引导装置总体上可以由两部分建造。壳体的后壳和废气引导装置的偏转壳例如可以由一个部件制成。壳体的前壳同时可以用作废气引导装置的另一部分。要理解，前壳和后壳在这个例子中可以互换。因而实现排气系统的一种特别简单的变型，它容易以低成本制造。

为了组装壳体的外壳(其中一个外壳设计为废气引导装置的一部分，偏转壳形成废气引导装置的另一部分)，提出以这样一种方式使两个外壳之一的边沿被卷边，从而仅仅壳体和废气引导装置被牢固地接合在一起。这种措施省去了对用来组装各个部分的熔焊或钎焊接合的需要，这进一步带来成本节省。

适当地，导管型废气引导装置能设计成具有曲折，其中废气引导装置的波浪部分把一个平的或扁平的催化元件固定在内。通过这样一种废气引导装置的纵向截面像一条蜿蜒曲折的河流。波浪部分在一侧使催化元件被夹持在废气引导装置内，而在另一侧使两个废气引导装置的表面变得较大。结果，波浪部分起辅助冷却肋的作用。如果废气引导装置的一部分构造成壳体的外壳，则冷却效果因此特别大。而且，废气引导装置的波浪部分具有消音效果，但却不会显著增加流动阻力。

在上述实施例中，废气引导装置的波浪部分可以布置成彼此相平行。通过废气引导装置的横截面面积的大小不会沿纵向变化。相比较而言，如果在另一个实施例中，废气引导装置的波浪部分呈现出相对相位偏移，则通过废气引导装置的横截面面积的大小也沿纵向变化。废气的流动状态容易受在废气引导装置的两个波浪部分之间的选择性相位偏移的影响。如果废气的声波的反射特性能由相位偏移改变，则例如可以吸收声音。作为其结果甚至可以抵消声波。

在另一个示范实施例中还设想，导管型废气引导装置被构造成Z字形，并且废气引导装置的钥匙形部分固定一个平的或扁平的催化元件。钥匙形部分以及波浪形部分由此能布置成彼此相对地平行和相位偏移(横向偏移)。钥匙形部分比波浪形部分制造便宜。要理解，可以设想废气引导装置的其它部分，这些部分以另一种方式实施并同时夹持一个平的或扁平的催化元件。

在排气系统的另一个示范实施例中，导管型废气引导装置被构造成或多或少是线性的或直线的，并且包括沿纵向保持恒定的横截面面积。在这种直线的废气引导装置中，设置一个波浪形或Z字形的催化元件，该催化元件在废气引导装置内被夹持成固定。在这个示范实施例中，流动阻力基本上由催化元件决定。但是表面比使废气引导装置具有波浪形部分或钥匙形部分的小。结果，辅助冷却肋应该安装到直线废气引导装置的平表面上，以便实现可比的冷却效果。

附图说明

下面参照表明各个示范实施例的附图将更详细地解释本发明。在附图中：

图1表示本发明的一种排气系统的三维图形，该排气系统具有一个波浪形废气引导装置和一个平的催化元件，

图2是通过图1中所示的本发明的排气系统的纵向剖视图，

图3a是具有一个Z字型催化元件的直线、导管型废气引导装置的示意性剖视图，

图3b是具有一个波浪形催化元件的直线、导管型废气引导装置的示意性剖视图，

图3c是具有一个平的催化元件的曲折型废气引导装置的示意性剖视图，

图3d是具有一个平的催化元件的Z字型废气引导装置的示意性剖视图，该废气引导装置的横截面恒定，

图3e是具有一个平的催化元件的Z字型废气引导装置的示意性剖视图，该废气引导装置的横截面沿纵向变化，

图3f是具有各种半径的波浪和一个平的催化元件的曲折型废气引导装置的示意性剖视图，

图3g是像在图3c中那样但具有一个平的催化元件的曲折型废气引导装置的示意性剖视图，该催化元件借助于紧固装置保持，及

图4是通过本发明的具有一个曲折型废气引导装置的另一种排气系统的纵向截面，由于壳体的部分使得一个平的催化元件固定地布置在其中。

具体实施方式

图1表示本发明的排气系统100的一个第一实施例的三维视图。所述排气系统100被构造成基本上为立方体。其壳体10由此包括两个元件，即一个前壳11和一个后壳14。两个外壳11、14由卷边被牢固地接合在一起。从图1中不能看到一个偏转壳19由卷边16保持在壳体10内。在前壳11中，有两个废气排出口15a。布置在前壳11后面的一个网型或打孔板型催化元件22的一部分能通过右边的口15a看到。显然，前壳11包括波浪部分12，波浪部分12同时形成废气引导装置17的一部分。通过一个废气进口15b，内燃机的废气进入排气系统100。

由图2排气系统100的工作原理变得更明白。该图表示图1的排气系统100的纵向截面。通过一个废气进口15b，废气进入排气系统100的一个前置腔室26。在所述前置腔室26中，通过反射或吸收废气的声波能完成第一次消音。为此目的，前置腔室26可以填充有相应的吸声材料，或者可以包含反射声波的对应结构。从所述前置腔室26，废气进一步通过在偏转壳19中的开口，并且经平的和网型催化元件22、23的第一区域进入曲折形废气引导装置17。所述废气引导装置17由此形成一种导管型构造，并且使废气流从交替侧流经平的催化元件22、23。在本示范实施例中，强迫全部废气团27(见箭头)在它被允许经废气排出口15a之一流出排气系统100之前七次通过催化元件22。在纵向截面中，废气引导装置17显得像曲折的河流绕平的催化元件22缠绕。为此目的，废气引导装置17在前壳11和在偏转壳19中都包括波浪部分12、20。在纵向截面中，这些部分12、20也像平的正弦或余弦曲线。催化元件22由偏转壳19和前壳11保持固定。更精确地说，平的催化元件22在一侧由偏转壳19的波浪部分20的峰(突起)夹持，而在另一侧由前壳11的波浪部分12的谷(凹槽)夹持。为了使要求的(夹持)力能够通过废气引导装置17的两个部分11和19实际上作用在催化元件22上，所述催化元件必须被构造成自支撑的。

在图2的具体例子中，废气引导装置17的波浪部分12、20被布置成相互平行，并且基本上具有相同的半径。结果，与催化元件22的切口的边沿正交的、波浪部分12、20的任何横截面面积总是具有相同的大小，从而在这个区域中，既不使废气压缩也不使它们由于本身而膨胀。由于废气引导装置17的内表面具有无锋利边缘的突起，所以对于废气的流动阻力相应地较低。

在图2的示范实施例中，偏转壳19被构造成分别是废气引导装置17的或排气系统100的一个分离部分。为了把偏转壳19固定在壳体10中，它在其边沿处由前壳11和后壳14摩擦地保持。为此目的，后壳14的边沿围绕偏转壳19的和前壳11的边沿卷边。同样，前壳11的边沿也能用于卷边16。为了允许外壳11、14的低成本制造，所述壳能由简单的深拉拔件制成。普通的(电镀的)金属板能用作制造材料。同样，特种钢能用作制造材料，优选地用于前壳11。

在这里未表明的本发明的排气系统100的一个类似示范实施例中，设想，即使偏转壳19也能与后壳14或前壳11形成整体。结果，整个壳体10和辅助废气引导装置17由两部分制成。

图3a至3g表明具有相应构造的一个催化元件22的废气引导装置17的各种实施例的示意剖视图。在这些废气引导装置17中，未表明用来紧固的辅助区域。图3a表示一种直线废气引导装置17，该直线废气引导装置17能包括偏转壳19和前壳11，并且其中一个催化元件22具有Z字形曲线24的形状。所述催化元件22由其自己的Z字形曲线24的峰夹持在废气引导装置17中。

在图3b中，相同的直线废气引导装置17被像在图3a中那样使用。只有在这里，催化元件22不具有Z字形曲线24的形状，但具有波浪曲线25的形状。在这个实施例中，催化元件22也由波浪曲线25的突起和凹槽保持。

最后描述的两个例子具有这样的优点，即废气引导装置17提供特别低的流动阻力，并且它容易制造。

图3c表明一种包括波浪部分12、20的曲折型废气引导装置17。在该曲折型废气引导装置17内，布置有一个平的或扁平的催化元件22。这个实施例基本与图1和2的废气引导装置17的例子相对应。

相反，图3d表示一种包括钥匙形部分13、21的Z字型废气引导装置17。对于其余部分，也能利用与在图3c中相同的催化元件22。而且，钥匙形部分13、21像在图3c中表示的例子中那样布置成相互平行，从而与催化元件22的切口的边缘正交的任何横截面面积具有恒定的大小。不利的是，在废气引导装置17内的边缘导致废气流动阻力的增大。但钥匙形部分13、21提供良好的消音效果，并且提供一个用来冷却废气的加大表面。

图3e也表明具有钥匙形部分13、21的Z字形废气引导装置17。但是钥匙形部分13、21呈现出纵向截面的相位偏移，即它们相对于彼此横向偏移。从图中的横截面18能够明了，废气引导装置17的横截面面积沿纵向轴线(平行于催化元件22的切口的边缘)变化。这种措施允许实现特别消音的效果。

图3f还示出了一种包括波浪轮廓并且形成曲折型构造的废气引导装置17的剖视图。在这个示范实施例中，一个扁平的催化元件22也由其内的废气引导装置17保持固定。然而，波浪型废气引导装置17的峰和谷具有不同的半径R1和R2。波浪曲线例如可以由两个半径R1和R2形成，这两个半径由它们的相应切线接合在一起。这种措施允许有利地影响废气引导装置17的流动性能。而且，在催化元件22与废气引导装置17之间的接触表面因而可以被最小化，从而实际上催化元件22的整个表面可用于废气流过。或者，换一种说法，催化剂表面更容易让废气接近。为此目的，两个半径较小的一个(这里为半径R2)被定向在催化元件22的方向上。较大的半径(这里为R1)相反布置在废气引导装置17背离催化元件22的诸侧。

在废气引导装置17中的催化元件22的一种具体布置表示在图3g中(也见权利要求8)。在这种变体中，扁平的催化元件22不是由废气引导装置17的波浪轮廓保持，而是由这里未示出的辅助紧固装置保持。在这个具体例子中，催化元件22无论怎样都不与废气引导装置17相接触。然而这个实施例不受此限制，从而在两部分之间也可以有至少零散的接触。催化元件22例如可以通过由卷边16连在一起的壳体壳11、14紧固。如已经描述的那样，因而清洁用于废气团的旁路，所述旁路允许调节转化率和实现排气系统100的较大制造公差。这种措施也允许使废气引导装置17的流动阻力最小化，因为废气的某一部分被故意引导过通过催化元件22的旁路。通过旁路的废气团的路径由与催化元件22相平行取向的箭头27表示。另外，可以消除由温度的持久变化所引起的废气引导装置17的、催化元件22的或壳体10的与热有关的形状变化。

图4公开了一种由4个壳，即前和后壳11、14及两个偏转壳19形成的排气系统100，这四个壳形成废气引导装置17。两个偏转壳19被定位在两个外壳11、14之间。催化元件也能由两个外壳11、14保持在废气引导装置17内。为此目的，靠内部分19、22借助于卷边16被夹持。而且，通过把废气引导装置17定位在排气系统100的中心中，形成一个第二上部腔室(与预置腔室26相邻)，该第二上部腔室用作一个辅助消音容腔或腔室28。所述辅助腔室28可以相应地包含用于由反射或吸收进一步消音的装置。而且，通过把废气引导装置17布置在中心中，使“冷”前壳11是可能的。这允许显著减少安装有排气系统100的相应机器的用户在意外触到该系统时被烧伤的危险。能使用一种直线或Z字形废气引导装置17，而不是图示的曲折型废气引导装置17。也设想把催化元件22定位在排气系统100中，在这里它不借助于废气引导装置17而是和/或借助于辅助紧固装置而保持固定。上述旁路因此可以设置在废气引导装置17中。

应该注意，本发明的排气系统100能用作一个完整的排气系统，和用作用于部分现有排气系统的补充的初始、中央或未端系统。同样，可以同时使用两个或多个扁平的或平的催化元件22。而且，例如布置成彼此平行的两个或多个废气引导装置17能另外设置在一个排气系统100中。而且，示范实施例的大部分变化组合是可以的，条件是它们从技术的观点看不相互排斥。

最后，应该注意，本发明的排气系统100也可以包括除这里描述的特征之外的技术特征，只要这些技术特征具有相同的功能。

附图标记索引

100    排气系统

10     壳体

11     前壳

12     11的波浪部分

13     11的钥匙形部分

14     后壳

15a    废气排出口

15b    废气进口

16     接头(卷边)

17     废气引导装置

18     通过17的轮廓横截面

19     偏转壳

20     19的波浪部分

21     19的钥匙形部分

22     催化元件

23     22的平曲线

24     22的Z字形曲线

25     22的波浪曲线

26     预置腔室

27     用于废气团的箭头

28     辅助腔室

Claims (19)

1.一种用于内燃机的排气系统(100)，所述排气系统具有：一个壳体(10)，在该壳体中设有至少一个废气进口(15b)和另一个废气排出口(15a)；以及一个催化元件(22-25)，它布置在排气系统(100)的壳体(10)内，用于以这样一种方式净化内燃机的废气，从而至少废气的大部分流经催化元件(22)，

其特征在于，

废气(27)通过一个废气引导装置(17)交替地流过催化元件(22)。

2.根据权利要求1所述的排气系统，

其特征在于，

催化元件(22-25)被构造成平的、或大体为平的和平面的，并且催化元件的诸部分被如此地构造，从而允许废气交替地一个接一个地流过所述部分，从而废气(27)通过废气引导装置(17)交替地流过催化元件(22)数次。

3.根据权利要求1或2所述的排气系统，

其特征在于，

催化元件(22-25)建造成自支撑的。

4.根据权利要求1至3任一项所述的排气系统，

其特征在于，

催化元件(22-25)为网型构造。

5.根据权利要求1至3任一项所述的排气系统，

其特征在于，

催化元件(22-25)为打孔板型构造。

6.根据权利要求1至5任一项所述的排气系统，

其特征在于，

催化元件(22-25)包含一个涂敷的金属网。

7.根据权利要求1至5任一项所述的排气系统，

其特征在于，

催化元件(22-25)包含一个涂敷的打孔金属板。

8.根据权利要求1至7任一项所述的排气系统，

其特征在于，

催化元件(22-25)布置在废气引导装置(17)中，在这里它由紧固装置保持固定，所述紧固装置位于废气引导装置(17)的内部和/或外部。

9.根据权利要求1至7任一项所述的排气系统，

其特征在于，

废气引导装置(17)具有导管型构造，并且催化元件(22-25)被布置在导管型部分内，在这里它正好由废气引导装置(17)保持固定。

10.根据权利要求9所述的排气系统，

其特征在于，

导管型废气引导装置(17)由至少两部分制成。

11.根据权利要求10所述的排气系统，

其特征在于，

壳体(10)的一个外壳(11，14)形成导管型废气引导装置(17)的一部分。

12.根据权利要求10或11所述的排气系统，

其特征在于，

导管型废气引导装置(17)的一部分由一个偏转壳(19)形成，所述偏转壳(19)由壳体(10)的外壳(11，14)保持。

13.根据权利要求12所述的排气系统，

其特征在于，

废气引导装置(17)的偏转壳(19)和壳体(10)的一个外壳(11，14)由一个部件制成。

14.根据权利要求11至13任一项所述的排气系统，

其特征在于，

壳体(10)的外壳(11、14)和废气引导装置(17)的偏转壳(19)由卷边(16)牢固地接合在一起。

15.根据权利要求9至14任一项所述的排气系统，

其特征在于，

导管型废气引导装置(17)具有曲折型构造，并且废气引导装置(17)的波浪部分(12，20)通过夹持固定地保持平的催化元件(20，23)。

16.根据权利要求15所述的排气系统，

其特征在于，

废气引导装置(17)的波浪部分(12，20)彼此平行，从而废气引导装置(17)的横截面面积(18)基本上恒定。

17.根据权利要求16所述的排气系统，

其特征在于，

废气引导装置(17)的波浪部分(12，20)是相位偏移的，从而废气引导装置(17)的横截面面积(18)的大小也沿纵向变化。

18.根据权利要求9至14任一项所述的排气系统，

其特征在于，

导管型废气引导装置(17)具有Z字型构造，并且废气引导装置(17)的钥匙形部分(13，21)通过夹持固定地保持平的催化元件(22，23)。

19.根据权利要求9至14任一项所述的排气系统，

其特征在于，

导管型废气引导装置(17)被构造成具有恒定横截面面积(18)的直线，并且通过夹持固定地保持波浪型或Z字型催化元件(22，24，25)。

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