NO311500B1 - Katalytisk gassrenseenhet og anvendelse av denne - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en katalytisk gassrenseenhet som angitt i innledningen i krav 1 for bruk i forbrenningsmotorer, og særlig i mindre og/eller enklere motorer, såsom de som anvendes i gressklippere, motorsager, mopeder o.l. motordrevne enheter.

Avgasser fra forbrenningsmotorer renses ved hjelp av katalytiske systemer, som omfatter en katalytisk enhet omfattende en katalysatorbærer på hvilken det er påført et passende katalytisk stoff, f.eks. platina og/eller palladium, som er de stoffer som vanligvis blir brukt, selv om organiske materialer også anvendes.

Slike katalytiske systemer ble først anvendt for rensing av avgassene fra privatbiler i 1970-årene og 1980-årene i USA. Særlig ble det stilt store krav til fjerning av skadelige stoffer fra avgassene fra privatbiler. De katalytiske systemer tilpasset privatbiler anvender bærere av keramisk materiale, såkalte "monolitter" (av ett stykke) som omfatter gjennomtrengende passasjer i hvilke det katalytiske stoff er påført. Det settes høye krav til katalytiske enheter i katalytiske systemer med hensyn til bl.a. deres varmebestandighet, da avgasser fra forbrenningsmotorer kan nå temperaturer opp til omkring 1000° C.

De katalytiske enheter beregnet for motorer i privatbiler er forholdsvis kostbare på grunn av den høye rensningsgrad de er forventet å skulle oppnå, og bl.a. fordi katalysatorbæreren må bestå av et fremragende keramisk materiale som er ekstremt spinkelt og dermed vanskelig å håndtere under fremstillingen av bæreren. Som resultat har majoriteten av de keramiske bærerenheter som har blitt produsert måttet bli vraket, som i stor grad øker de allerede høye fremstillingskostnader.

Bruken av en katalysatorbærer av metall har derfor blitt foreslått i mindre avanserte motorer hvor kravene til rene eksosutslipp ikke er så høye. Slike katalysatorbærere anvendes i dag f.eks. i noen scootere. I dette tilfelle består katalysatorbæreren av en metallplate som er korrugert og rullet til en sylinderform hvor korrugeringene danner gjennomtrengende passasjer. En metallholdende hylse er anbrakt rundt sylindrene. En ulempe med denne bærer er imidlertid at dens overflateareal er begrenset i forhold til dens volum og masse. Bæreren er også forholdsvis kostbar.

Det har også blitt foreslått å bygge katalysatorbærere for katalysatorenheter fra vevet eller knyttet metalltråd. DE-A3 024 491 (CA-A-I 165 247) beskriver en motor som er tilpasset et katalytisk system hvor katalysatorbæreren består av knyttet metalltråd og som bærer to lag av metalloksyd og katalysator. EP-A-0 051 304 beskriver også en knyttet trådkatalysatorbærer som omfatter innvendige rom for å oppnå en katalytisk enhet av formstabil oppbygning når den er f.eks. i en rullet form. Anvendelsen av f.eks. knyttet duk bestående av varmebestandig metalltråd av typen Inconel® for katalytiske enheter ble foreslått i US-A-3 362 783 i 1960-årene.

Til tross for de ovenfor nevnte ulemper forbundet med andre typer av katalysatorbærere, har ingen av de foreslåtte katalysatorbærere basert på vevet eller knyttet metallduk hittil vært anvendt i praksis, og heller ikke har slike bærere vært tilgjengelig i handelen så langt man kjenner til, slik at katalysatorbærere som nå er handelstilgjengelig er fremstilt utelukkende av keramiske materialer eller for bestemte formål av korrugerte og rullede metallplater som nevnt i det foregående. En grunn til hvorfor det har vært umulig for metalltrådduk å konkurrere med konvensjonelle katalysatorbærere til tross for alle prob-lemene forbundet med konvensjonelle bærere, ikke minst de økonomiske problemer angitt ovenfor, ser ut til å være fordi katalytiske enheter av metalltrådduk ikke tilfredsstiller de tekniske krav som stilles til disse. På grunn av deres åpne nettstruktur med en høy grad av luftrom mellom trådstengene, har slike bærere lav motstand mot strømmen av gassen som skal renses. Følgelig er den relative påvirkningstid av gassen i den katalytiske enhet, dvs. tiden det tar for gassen å strømme gjennom en enhetslengde av den katalytiske enhet, er så kort at disse enhetslengder må lages meget lange i forhold til deres tverrsnittsarealer for å rense avgassene i en tilstrekkelig høy grad. Selv om det kan oppnås en forholdsvis lang påvirkningstid ved å øke den mekaniske innpakning av lagene av metalltrådduk vil dette øke hindringene for gassen som strømmer gjennom den katalytiske enhet og dermed redusere gassgjennomstrømningsmengden, noe som gjør det nødvendig å øke gjennom-strømningsarealet i enheten og som resulterer i mer voluminøse enheter.

Det har i den senere tid blitt observert at mindre og enklere forbrenningsmotorer bidrar alvorlig til utslippet av skadelige avgasser. Det har til og med blitt fastholdt at avgassene fra gressklippere er større og mer alvorlig enn avgassene fra motorkjøretøyer, selv om det hittil ikke er blitt bestemt at avgasser fra slike maskiner eller motorer, må renses.

Dette er sannsynligvis fordi det på det nåværende tidspunkt ikke er noen teknisk og økonomisk gjennomførbar mulighet for å anvende katalytisk rensing av avgassene fra slike maskiner, særlig sett på bakgrunn av de høye kostnader for de kjente katalysatorbærere.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe et katalytisk system som vil løse de ovenfor nevnte problemer når det gjelder utslipp av avgasser, særlig avgasser fra små og/eller enkle forbrermingsmotorer, og også tilveiebringe en katalytisk enhet som kan anvendes som et rimelig alternativ med andre motorer. Ifølge oppfinnelsen oppnås dette formål ved at den katalytiske gassrenseenheten har de karakteristiske trekk som angitt i de etterfølgende krav.

Den katalytiske enhet ifølge oppfinnelsen omfatter derfor en varmeresistent knyttet eller vevet metalltrådduk med åpne masker som er innrettet til å danne en pakke med forutbestemt form omfattende flere innbyrdes nærliggende lag, og en pakkekappe som danner gassgjennomstrømningspassasjer. Minst halvparten av lagene i metalldukpakken består i det vesentlige av metallduk som har blitt korrugert i det vesentlige kontinuerlig i minst to retninger, slik at korrugeringene vil avgrense vinkler derimellom. Den korrugerte metallduk er anordnet i pakken slik at spissene av de nevnte vinkler vil peke i en retning tverrgående med retningen av gjermomstiømningspassasjene. Mellom lagene av korrugert metallduk er det anordnet lag av ukorrugert metallduk. I det minste den korrugerte metallduk er knyttet eller vevet på vanlig måte med minst to parallelle tråder. De nærliggende lag kan være fremstilt på vanlig måte ved rulling av metallduken for å danne en i det vesentlige sylinderformet pakke. Alternativt kan metallduken være korrugert eller presset til en ikke-sylindrisk pakke, f.eks. en parallellepipedformet pakke.

Den varmebestandige metalltråd er fortrinnsvis sammensatt av et materiale i samsvar med 1.4767 (DIN) eller et annet materiale med tilsvarende varmebestandighet, såsom f.eks. Inconel® 601.

Den katalytiske enhet ifølge oppfinnelsen er særlig passende for rensing av avgasser fra små og/eller enkle forbrenningsmotorer, såsom maskiner, eller motorer, gressklippere, motorsager, mopeder, mindre utenbordsmotorer o.l. I tilfellet med slike maskiner er det viktig at kostnadene for det katalytiske system ikke bidrar til en usedvanlig stor prosentandel av totalprisen, og følgelig må det for at produsenten skal la det være innbefattet et katalytisk avgassrensesystem i den aktuelle maskin anvendes en rimelig katalysatorbærer.

Ved korrugering av metallduken på den måten som angitt i samsvar med oppfinnelsen, oppnås det overraskende effektiv og gjennomgående turbulens av gassen som passerer gjennom den katalytiske enhet. Dette bidrar gunstig til å øke den relative gasspåvkkningstid og tilveiebringer dermed høyere effektivitet enn det som ellers ville blitt oppnådd med metalldukbærere i katalytiske enheter. Den høye grad av turbulens som gis av den katalytiske enhet ifølge oppfinnelsen muliggjør at enhetene kan lages kortere mens de fremdeles renser gassene effektivt. Oppfinnelsen tilveiebringer derfor med rimelige kostnader en katalytisk enhet med akseptable dimensjoner som er særlig passende for bruk i enklere typer av maskiner og motorer, som angitt ovenfor.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende under henvisning til tegn-ingene, der fig. 1 viser et metalldukemnet i naturlig størrelse, fig. 2 er et sideriss av et korrugert eller liknende brettet metalldukemne, fig. 3 viser det samme korrugerte metalldukemne sett ovenfra, fig. 4 viser skjematisk en katalytisk enhet ifølge oppfinnelsen sett fra siden, og fig. 5 er et snittriss etter linjen A-A på fig. 4.

Fig. 1 viser et metalldukemne 10 som er vist i naturlig størrelse og som er knyttet av varmeresistent metalltråd 11 og i en konfigurasjon med åpne masker som vist med henvisningstall 12. Metalltråden har en tykkelse på omkring 0,2 mm. Metalldukemnet 10 er særlig passende for bruk som en katalysatorbærer i samsvar med oppfinnelsen. Fig. 2 viser et metalldukemne 10 som har blitt korrugert eller brettet på liknende måte for å tilveiebringe vekslende rygger og fordypninger, som vist skjematisk med linjen 13.1 det viste tilfelle er det korrugerte metallduklag 10 dekket på begge sider av et tilsvarende ukorrugert lag 13 A. Korrugeringene har fortrinnsvis en bølgehøyde på 5 - 10 mm, f.eks. 7 mm. Fig. 3 viser skjematisk en del av en bane av den korrugerte duk 10 sett ovenfra. Metallduken 10 er korrugert langs linjer 14 og 15 etter å ha blitt knyttet, og linjene avgrenser en forutbestemt vinkel a med den langsgående akse av banen. Korrugeringene som strekker seg langs linjene 14 og 15 møter hverandre i omtrent sentrum av banen og avgrenser der innbyrdes en vinkel p. Vinkelen p er vanligvis omkring 110°, som resulterer i en god gassturbulens. fig. 4 viser en katalytisk enhet 20 som omfatter en innløpsdel 21 for gassene som skal renses, og en katalysatordel 22. Katalysatordelen 22 rommer en katalysatorbærerpakke 23 som er omgitt av en katalysatorbærerkappe 24 laget av varmeresistent metall. Den katalytiske enhet 20 kan ha en hvilken som helst av flere tverrsnittsformer, og kan f.eks. ha en kvadratisk, rund eller oval tverrsnittsform, avhengig av brukerens ønsker og også av anvendelsen som det katalytiske system er beregnet for. Katalysatorbærerpakken 23 omfatter en katalysatorbærer som har en metallduk med åpne masker knyttet av varmeresistent metalltråd i samsvar med oppfinnelsen og overtrukket med et passende katalytisk stoff. Fig. 5 er et snittriss av katalysatordelen 22 etter linjen A-A på fig. 4. Den viste katalysatordel 22 har et ovalt tverrsnitt og omfatter en katalysatorbærerpakke 23 som har den samme profil som katalysatorbærerkappen 24 og den ytre kappe 25 av katalysatordelen 22. Den katalytiske enhet ifølge oppfinnelsen gir viktige fordeler i tillegg til aspektet med kostnader. F.eks. har enheten en stor spesifikk overflate i forhold til dens volum og masse, og skaper også en høy grad av turbulens i gasstrømmen som forlenger gassrensetiden, til tross for en forholdsvis liten sttømningsmotstand.

Claims (7)

1. Katalytisk gassrenseenhet (20) med en bærer omfattende en knyttet eller vevet duk med åpne masker av varmeresistent metalltråd (11) og formet til en pakke (23) med forutbestemt form som har flere nærliggende metallduklag og en kappe (24, 25) som omgir pakken (23) og danner gassgjennomstiømningspassasjer,karakterisert vedat minst halvparten av lagene i metalldukpakken (23) består av en metalldukbane (10) som har korrugeringer (13) som strekker seg langs to sett av linjer (14, 15) som avgrenser forut-bestemte vinkler a med den langsgående akse av banen (10), hvor koirugermgslinjene (14, 15) møter hverandre i omtrent sentrum av banen (10) og avgrenser innbyrdes en vinkel P, og den korrugerte metalldukbane (10) er anordnet i pakken (23) på en slik måte at spissen av vinkelen p peker i en retning tverrgående med retningen av gjennomstrømnings-passasjene.

2. Gassrenseenhet ifølge krav 1,karakterisert vedat den omfatter et lag av ukorrugert metallduk (13A) mellom de korrugerte duklag (13).

3. Gassrenseenhet ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat i det minste den korrugerte metallduk er knyttet eller vevet med minst to parallelle tråder.

4. Gassrenseenhet ifølge ett av kravene 1-3,karakterisert vedat metallduken er rullet til en overveiende sylindrisk pakkeform.

5. Gassrenseenhet ifølge ett av kravene 1-3,karakterisert vedat metallduken er brettet eller presset for å danne en ikke-sylindrisk pakke.

6. Gassrenseenhet ifølge ett av kravene 1-5,karakterisert vedat den varme-resistente metalltråd består av Inconel® 601 eller et annet materiale som har tilsvarende varmeresistens.

7. Anvendelse av en katalytisk gassrenseenhet ifølge ett av kravene 1 - 6 for bruk ved rensing av avgasser fra små fororenningsmotorer, såsom i gressklippere, motorsager, mopeder, utenbordsmotorer o.l. laaftmaskiner.