TW200523462A - Inline exhaust device to improve efficiency of a catalytic converter - Google Patents

Description

200523462 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明關於一種可坐落在内燃式車輛之排氣系統内或 與其相關之裝置，其典型上可藉由保持部份觸媒較其他部 分更熱的方式，來增進在排氣道（exhaust stream)中之 觸媒轉化器的效率。 【先前技術】 例如汽油引擎之内燃機會產生含有一氧化碳、二氧化 氮等有毒排放物。 一種能降低這些有毒排放物的方式為在排氣系統中提 供觸媒轉化器。一種常用的觸媒轉化器為三向轉化器 (three-way converter)，其降低了三種法規的排放物— 一氧化碳、VOC’s與氮氧化物。觸媒轉化器典型上使用兩種 不同類型的觸媒，即還原觸媒與氧化觸媒。轉化器通常包 括一種陶竟或金屬之蜂巢狀結構，其被覆典型為鉑、鈀、 或铑之金屬觸媒。 觸媒轉化器的最大缺點之一是其僅在相當高的溫度下 方能有效率作業。一種將觸媒轉化器維持在高溫下的簡單 方式是確保轉化器位在排氣系統上游並接近引擎之處。然 而，此種方式相當不便，並且會造成觸媒轉化器過熱而導 致觸媒轉化器之損壞。 因此，所知為將觸媒轉化器預熱。此通常使用一種由 車輛電池使觸媒轉化器加熱到操作溫度的電預熱元件來完 200523462 成。在引擎正常操作期間，磨 化器保持在其操作溫度下二熱：通常足以將觸媒轉 閉。然而，一種電預熱器仍然需要數:=接著可以被關 不適用於未配備電池的引擎（“:顯者的電力消耗，而 W 5丨拏（如割草機引擎）。 内置式觸媒轉化器的另一項 化器溫度會在引擎办糖眸丁政 之刼作上的問題是轉 而言，如果袅鈿/· 低於某一刼作位準。舉例 果車輛在父通阻塞的情況下， ^ 時，引擎Μ、击A rr々， A者因、，工燈而停正 力擎轉逮會降到空轉轉速 τ 降到一種盔冰$木L θ使廢风的溫度快速下 種無法適當地將觸媒轉化器^ 内的位準。 ，符在其刼作溫度範圍 因此，如果能提供某種將觸媒 度範圍内—段較其它方式更持在其操作溫 轉速下降Γ仓丨A + 守門的裝置，特別是引擎 將产禁在空轉下）時，將會是一項優點。 、q邊了解的是，若本文中有表昭乂 參照在澳洲$甘^ …、、、先則公開案，此種 /興/州或其他國家並未承認該公間垒姓丄、、 普遍知識的一部分。 〃冓成習知技藝之 【發明内容】 毛月之目的為提供一種内置式 觸媒轉化器之功用* 置式排以置，其能增進 供-種有用的或商業上的選擇。 L缺點，抑或提 :義的形式上，本發明包括一種 杰之功用的梦番 —# 3罝式觸媒轉化 扪凌置，该裝置會影響熱廢氣 才Κ机動，來增進從 200523462 廢氣到觸媒轉化器之間的熱傳。 以此方式，則甚少需要或無需一個觸媒用之分 。此現在使較小的引擎（割草機引擎 刀式電 更有效作業之觸媒轉化器，因為這些引擎 能有一個 電池使電熱器能對觸媒加熱。 +具有一個 在-種更特定的形式中，該裝置包括有 部輪廊，其接觸廢氣並汲取廢氣的熱量。 ，疋的内 讀：凹部或空腔，以利氣體增大的紊流有 轉化=:::::=:増…媒 件，其至少部分延伸進:二ΤΪ或分隔式構 r空腔或分隔式構件作用來吸收排氣道的熱量，匕 >部分的觸媒轉化器維持在升高溫度下。 产下ΓΓ式’該裝置可在引擎正常運轉與空轉及廢氣溫 "時吸收廢軋的熱量，該裝置可將熱輻射或其它的方 :傳遞到部分的觸媒轉化器，或是觸媒轉化器之溫暖部 H以在空轉期間將轉化器至少部分維持在其更有效的操 /皿度中。當然’該裝置無法無限地維持觸媒轉化器的溫 度，但在停止/開始行進或平常空轉期間應有效率。 «亥裝置典型上將被置放在觸媒的下游處。亦可將該裝 f置放在觸媒之前，但在某些排氣系統中，前方部分可變 仔相當熱而無法被有效地置放在觸媒的前方。然而，如果 h氣系統使觸媒足夠遠離引擎，均可能將裝置置放在觸媒 之則（上游處）以及/或之後。 、 200523462 該裝置被較佳構型來吸收廢氣的熱量，但不會在排氣 中不必要地產生背壓。背壓並非總是有利，因為過大的背 壓會降低引擎功率20%到30%，並會增加燃料消耗。 就此而論，較佳的情況是，該裝置包括複數個分隔式 構件，其等至少部分延伸進入排氣系統中至少某些該等 構件被提供-個延伸通過其間的開口，供至少某些廢氣能 通過。較佳的情況是，該等構件大致延伸環繞排氣系統的 内側壁部。因此，如果排氣系統大體為圓形，較佳的情況 疋，該些構件包括-個含有供廢氣通過之中央開口的圓形 盤體。當然，如果排氣李續且古 . 併乱糸、、死具有一個方形、卵形、或矩形 截面，料構件之形狀可改變來容納這些構型。 分隔式元件的數目可依據排氣系統的尺寸 而改變。典型上，該裝置包含 ” 4 ^ ^ s ^ 2 〇個分隔式元件，而 車父佳包含有4 一 1 〇個分隔式元件。 該裝置可包括一個套營，而兮μ #Β而该荨分隔式構件被附接到 =套管。套管可被設計以於排氣系統中滑動到一個鄰近觸 媒的位置。抑或是’套管可被設計為排氣系統之一部分並 且破夾持到排氣系統或被附接到排氣管線。套管亦可且有 其他内部輪廉，以增進從氣體到該裝置的敎傳。 八 、，該等分隔式構件（或其他輪幻可被隔開3 — 50毫 ^的離U上在5 一 5 0毫米之間。該等分隔式構 糙…— 以中產生紊流，以使部分的廢氣能打 並在該等分隔式構件之間擾動。為吾人所考慮到 的疋，此會增進來自廢氣並進入該等分隔式構件中之熱量 200523462 的吸收。此可能是由於在熱廢氣與構件間藉由紊流或「渦 流（eddy )」效應造成在停留時間上的增大所致，紊流或 「渴流」效應可作用來使較冷的氣體在氣流路徑之「外側 (outside)」上，並且其可由在氣流之「中央（central)」 部份中較熱氣體所取代而與該裝置成為一種熱交換關係/ 從而使觸媒轉化器能更被快速地加熱。此效應無需實質增 加在排氣系統中的氣體之停留時間。 該等分隔式構件將較佳從足以在熱廢氣中存活，並同 時仍能相當有效吸收氣體熱量之材料所形成。例如鋼之金 屬被認為合適。然@，本發明不應限定為僅由鋼來製成分 隔式構件的適當材料。該等構件可由其他合適金屬、金屬 合金、燒結金屬、非金屬吸熱材料、複合材料等所製成。 、該等分隔式構件典型上將從排氣管之邊緣處充分地延 伸進入氣w之中’以有效吸收氣流熱量’並不會不必要地 阻礙：*而產生一種非所希求的背壓。所考慮到的是， 二等刀式構件可延伸進入排氣管中一段到繼之排氣 吕面積的距離。在_個實施例中，此可由使該等分隔式構 件包括實貝圓形的盤體所達成，而該盤體具有-個延伸通 過其間之開口，並日般触 艾且盤體之面積為排氣管之截面積的1〇0/〇 到80°/◦間。 切旧丄 /刀隔式構件的一項功能是在氣流之至少一部分 產生滿流或夺、户，、， ”爪 ㈢進該等構件吸收氣流熱量的能力 就此原因而t，兮楚 ,^ ^ μ構件的輪廓可以如此來增進此效應 在杲種形式中，兮榮 一 ^寺刀隔式構件可大致為盤狀並具有平 200523462 的側邊。然而，在一 / 被構型以增進n:形式中’該側壁或每—個側壁可 、机此輪廓於該側壁或每一側壁中可肖括 一個凹部或是「凹面（c峨 二中=括 該等分隔式構件可包括y)」在另㈣式中’ 括 個斜面表面，其可延#如& +、土 離觸媒轉化器。复他於施命& 八了乙伸朝向或遂 在…： 構型可預見來增進氣流之紊流。 在自亥觸媒轉化器與該 l 間隙是被認為有利。僅：：、一之間具有-分隔 此間隙會增進裝置的吸ΙΓ 理論所束缚，但相信 方弋傳说埶曰7 …力，以使熱量輻射（或以其它 =專遞熱1)回到觸媒轉化器。此間隙可包括一個「孰 幕（hd仙⑷」，並可在5毫米到1〇 門、 的任何位置，而較佳為大約25毫米。 ^未之間 本毛月之$種更特定的形式中，該裝置可包括一 個闕件或虹膜’其可在一開啟位置與一關閉或部分關閉位 置間操作，該閥件可在觸媒轉化器的下游處，並且作用以 增大廢氣在觸媒轉化器附近的停留時間，特別是 空轉時。 ，手牡 «而，¥引擎空轉時，該閥件一 ,^ + 〜1卞』隹關閉或部份關閉 ’來將熱廢氣保持在排氣纟統巾並在觸媒轉化 圍’以使觸媒轉化器的溫度較其它可能方式來得高，如果 僅能容許廢氣未受阻礙地通過排氣系統的狀況下。^ 曰该方法包括-個上述之單一閥件或複數個間件。如果 提供複數個閥件，這些閥件可成「串聯（series)」或「並 連（parallel)」’或二者之任意组合。該等閥件可包括 一個虹膜。 200523462 閥件可被提供在觸婼鏟彳h 一 & 轉化裔的下游處，以在需要時斜 ==流或阻礙，來確保觸媒轉化器被保持固 匕可能的方式更高的溫度下。所預見較，該闕件可: 接& ^番.. 置，包括在觸媒轉化器之 & ，或者遠離觸媒轉化器某段距離 管的外部。 ％併礼 可預見的是，可传用夕pg冰 ^ j便用之閥件類型不應有任何特定限 因此，閥件可包括-個簡單型錢接式翼U、-個滑 動闕：一個旋轉間、-個間闕、-個虹膜等等。 =的情況S ’操作該閥件使其隨著通過該排氣系統 之廢乳量的增加而移動到更為開啟或完全開啟的位置。舉 例而言，較佳的情況是，引擎在較高轉速下轉動時該間件 會移動到-個更開啟的位置，使足夠的熱氣通過觸媒轉化 益。較佳的情況是，該閥件以自動或半自動的方式操作。 在一種非常簡單的形式中，閥件可包括有一個鉸接式重力 閥（hinged weighted valve)，當引擎氣體量不足時在重 力的影響下會移動到一個關閉位置，自氣體量較高時會藉 由引擎氣體量而被推動到一個開啟位置。抑或是，該閥件 會被彈簧偏斜到-個正常為關閉的位置，並可藉由引擎氣 體量？皮推動到開啟位置。或者，該閥件可由溫度所操作， 並可隨著溫度的增加而從關閉位置移動到開啟位置。此類 閥件可被稱為“溫變閥（therm〇stat πίπ)，，。或者， X閥件可藉由在排氣道中的壓力差所操作。用以操作該閥 件之其他裝置可以被使用。 11 200523462 【實施方式】 百先參照第四圖，其顯示一種典型的排氣系統，其從 引擎1 0處延伸到尾管i i，並包含有：一個内置式消音 器1 2、一個觸媒轉化器i 3、與一個根據本發明第二^ 施例但被裝設在該觸媒轉化器i 3後方（下游）的裝置1 參照第一圖’其顯示-個根據本發明的-實施例的裝 置。該裝置1 4被定位在該觸媒轉化器丄3的下游處。引 擎的熱廢氣在攝氏2 〇 〇度到2 7 〇度（這當然可以改變）籲 的溫度下會通過進入該觸媒轉化器工3的前方之中。在觸 媒的後端為-個小的空氣間隙丄5，其長度大約為2 5毫 米。該裝置1 4包括5個分隔式構件丄6，每一構件包括 -個圓形盤體，而該圓形盤體具有一個能供廢氣通過的中 央穿孔1 7。每-個盤體的中央穿孔2 7與其他盤體的中 央牙孔相對準，以提供一個大致未受阻礙的中央流動路徑 18°

。亥等盤體被刀隔大約2 〇毫米。當廢氣從該觸媒轉化 器1 3流動並通過每一個盤體之被對準的中央穿孔丄7 時’渦流與I流在每-盤體附近產生，而使廢氣流進入在 :郇皿體間的間1¾之中。此熱廢氣接著可與個別盤體作熱 交換，而使盤體被加熱。此方式會持續沿著裝置的長度進 行’直到廢氣通過該裝置並朝向㈣音器i 2為止。 第二圖到第三圖顯示分隔式構件1 6的不同設計。該 些設計被用以增進在氣體與該構件間的邊緣效應（他 12 200523462 -effect)，以在該等分隔式構件之間形成紊流與渦流。 . 該設計不會使廢氣背壓增大到一種降低引擎功率且增 加燃料消耗的程度。所考慮到的是，在盤體中被對準的穿 孔使廢氣仍能流過該裝置，接著考慮到的是使該等分隔式 構件有較佳的熱交換。 測試顯不出在引擎空轉下，在觸媒轉化器前方的溫度 約為攝氏1 5 0度，而在未裝配該裝置的情況下，該觸媒 轉化器後方的溫度約為攝氏i 〇 〇度。當該裝置被裝配 日守，此會使在该觸媒轉化器後方的溫度增大到大約攝氏2 _ 0 0度。 參照第五圖，其顯示一個類似第四圖之排氣系統，除 了第五圖顯示辅助空氣能進入該排氣系統的不同位置2 〇 一 2 2之外。舉例而言，在位置2 〇處，輔助空氣可在引 擎1 2之後方但在觸媒轉化器1 3之前方進入該排氣系 統。在位置2 1處，輔助空氣可在該觸媒轉化器1 3之後 方但為在該消音器1 2之前方進入該排氣系統中。在位置 2 2處，輔助空氣可在該消音器1 2中進入到該排氣系統 · 之中。在位置2 0處，輔助空氣可提供額外的氧氣，以幫 助廢氣之適當觸媒轉化。在位置2 1與位置2 2處，輔助 空氣會稀釋廢氣’以降低尾管處之排放物的百分比。 參照第/、圖到第十圖，顯示本發明的另一個實施例， 其中裝置為一個閥件，其可具有不同的構型與類型，並可 被置放在該排氣系統中的不同位置。該閥件作為調節引擎 氣體，以使該觸媒轉化器1 3「浸在（bathe )」熱引擎氣 13 200523462 體令-段較無間件時所可能者更長的時間。 第六圖到第七m^ 可被定位在尾的錢接式閥件23，其 到達關閉位置（參見第：固(。該間件自然地受到重力而 的你 /、圖）’並藉由通過該尾管之廢氣 的作用力而被推到部 在(參見第七圖）。從而， .^ . ^ ^ + I被關閉，且將造成廢氣減速， 持較熱。 ° 1 3的附近，使得該觸媒轉化器能保 第八圖顯示—自簡單的鉸接式閥件 該排氣系統之内部， 移動於正常關閉的位 之間。 且其再次藉由廢氣 置與部份開啟位置 2 4，其被定位在 之作用力而可再次 (以虛線所顯示者）

第九圖顯示—個閥件25，其可藉由廢氣之作用力而 被向下推，並且藉由彈簧2 6而移動在正常關閉位置與第 九圖中所說明之已下推的開啟位置之間。 第十圖顯示—個轉動閥27’其可繞著一個樞轴28 而在第十圖中所說明的開啟位置與該閥件已被旋轉9 〇度馨 的關閉位置之間旋轉，以阻檔氣體之流動。該轉動閥件2 7可藉由熱量來操作，亦即’當該閥件加熱時，其會移動 到開啟位置。該閥件可由廢氣來加熱。或者，可使用其它 類型的熱簧閥（thermal reed valve)、或翼片（flap)、 抑或是盤體。 該閥件典型上將被定位在觸媒轉化器的下游處，以在 低引擎空轉下提供一定程度之節流或背壓，若該閥件未在 14 200523462 適切位置時’將熱廢氣保持在該觸媒轉化器附近一段較其 它可能方式更長的時間。 所預見的是，本發明將延伸到一個典型如第一圖到第 四圖中所說明之裝置i 4與一個典型如第六圖到第十圖中 所說明之閥件的組合。 輔助空氣射出（例如，參見第五圖）可經由使該等閥 件在適切位置或經由使該裝置1 4在適切位置，抑或使二 者在適切位置的方式來施行。 使用第一圖到第四圖說明之裝置所施行在觸媒轉化器 後方的溫度測試顯示出在該觸媒轉化器後方之溫度顯著增 加。

在某個實驗中，同時使用一個包含第一圖到第四圖所 說明之裝置的引擎，則該觸媒轉化器的前方在五分鐘的期 間為攝氏3 4度到攝氏7 〇度之間，而該觸媒轉化器的後 方為攝氏7 0度到攝氏1 4 0度之間。相同的引擎在一個 5 〇 0瓦的負載下，該觸媒轉化器的前方在五分鐘的期間 為攝氏4 6度到攝氏1 8 ◦度之間，而該觸媒轉化器的後 方為攝氏1 3 1度到攝氏3 2 4度之間。結果顯示出，該 觸媒轉化器的後方保持相當溫暖，此係由於該袭置重新將 熱量輻射回到該觸媒轉化器所致。 、 该觸媒轉化器的加溫對降低排放物有利。在某個實 中，使用一具HONDA NSR 150cc的二行程引擎以利用第 圖到第四圖所說明的裝置來測試排放物的降低程声 在未裝配該裝置的狀況下，排放物如下所示· 15 200523462

Lda ------ 0.872 ULP RPM 」 4384 〇2 3. 32% N0 14 ppm C〇2 9. 14°/〇 HC (碳氫化合物） 4902 ppm C0 2.848% ' ---------.

在裝配該裝置的狀況下，在數小時期間之排放物如下 所示： 時間 [小時] Lda RPM 〇2 % NOppm C〇2% HCppm CO% 1 0.902 4559 0.00 2 13.37 1093 2.102 4 0.907 4657 0.32 2 13.51 1505 1 9? 5 0.889 4455 0.00 2 13.28 1533 2 〇 7 ~~----- 0.895 4311 0.23 3 13.46 1744 2.0 —9 0.896 4421 0.49 3 13.27 1787 2.29 _12 0.879 4717 0.00 13.17 1695 』·23 — 因此，該裝置作為降低排氣道之排放物，主要是N〇與 碳氫化合物。 在整份說明書與申請專利範圍（如果存在的話）之中， 除非上下文需要，否則，「包括」一詞及其動詞變化將理 解為含括所述完整事物或其群組，但不排除任何其他完整 16 200523462 事物或其群組。 在整份說明書以及申請專利範圍（如果存在的話）之 中，除非上下文需要，否則，「大致上（)」 或是「大約（about)」等詞將理解為並未限定於該些詞所 界定範圍之數值。 所理解的是，可對上述任何實施例施行數種改變與修 改’而不會偏離本發明之精神與範轉。 【圖式簡單說明】 本發明之諸實施例將參照以下圖示來描述，該等圖示 :-圖顯示-個被定位在觸媒轉化器下游的裝置； 第二圖顯示在該裝置中之分隔式構件的不同輪庵. :三圖顯示在該裝置中之分隔式構件的另一種輪廓; 第四圖顯示一種典型的排氣系統； 同导’ 弟五圖顯示

r Q ‘亚說明“辅助空

(咖。咖y air)，，可被插入排氣道中之不同位置； 第六圖到第十圖顯示一個用來，" 的閱件之數種實施例。 内置式觸媒之; 【主要元件符號說明】 10 引擎 11 尾管 1 2 消音器 17 200523462 1 3 觸媒轉化器 - 14 裝置 15 空氣間隙 16 分隔式元件 17 中央穿孔 18 中央流動路徑 2 0 位置 2 1 位置 2 2位置 ® 2 3 鉸接式閥件 2 4 鉸接式閥件 2 5 閥件 2 7 轉動閥 2 8 樞軸 18

Claims (1)

1. 200523462 十、申請專利範園： 1、 一種增進内置式觸媒轉化器之功 置影響埶廢氣之产動 的破置’該裝 '、，、^之抓動’ Μ進從廢氣到觸媒轉化 2、 根據申讀真利塞々岡々>* 、…、傳0 很稞甲D月專利靶圍第工項所述之 個接觸廢氣並吸收廢氣之熱量的特定广括— 括複數個凹部或空腔，以Μ ^ # 5亥輪廓包 收。 1腔Μ利於增加氣體之蒼流來增進熱吸 d、根據申請專利範圍第2項所述之裝置， 裝置包括複數個分隔式構件 -

   /、寺至夕部分延伸進入該 =統中，而在該等分隔式構件間的間隙包括至少某此 :::部或空腔，該等分隔式構件吸收廢氣的熱量並將 >部分已吸收的熱量傳遞到該觸媒轉化器的至少一部分: 4、根據申請專利範圍第3項所述之裝置，其被： 在該觸媒轉化器的下游。 疋4 + 5、根據中請專利範圍第3項所述之裝置，其 稷數個分隔式構件，而該等分隔式構件 該排氣道中，至少輩此八刀义彳甲進， 某二刀隔式構件被提供有一個延伸通 /、間的開口供至少某些的廢氣能夠通過。 6、根據申請專利範圍第5項所述之裝置，其中 構件包括有圓形盤體，其包含有-個中央開口; 廢虱能夠通過。 1、 7、 根據中請專利範圍第6項所述之裝置，其中， 2 2 0個分隔式構件被提供。 8、 根據巾請專利範圍第7項所述之裝置，其中，气 19 200523462 等分隔式構件間的間隙為5一20毫米。 9根據申請專利範圍第8項所述 ㈣隙被提供在該觸媒轉化器與該裝一 該間隙長度為5〜丄〇 〇毫米。 之弟一元件之間， 1 〇、根據中請專利範圍第9項 該間隙長度約為2 5毫米。 、述之裝置，其中， 11、根據申請專利範圍第1項所τ -個閥件，該閥件可操作在開啟位置與二广 置之間，而該閥件在該觸媒轉化器的下游=部份關閉位 廢氣在該觸媒轉化器附近的停 =用來增加 時。 符別疋在引擎空轉 1 2、根據申請專利範圍第" 定位在該觸媒轉化器的下游。 之裝置’其被 1 3山、根據申請專利範圍第工2項所述之裝置， 舌-個端部翼片，該端部翼片在該排氣系統中之尾管之上 延伸’並可藉由廢氣而在關閉位置與開啟位置之間移動。 一 1 4、根據巾請專利範圍第i 2項所述之裝置，其包 "個翼片，5亥翼片在該排氣系統的内側延伸，並可藉由 廢氣而在關閉位置與開啟位置之間移動。 1 5、根據申請專利範圍第丄2項所述之裝置，其包 括-個在該排氣系統的内側之閉門’並可藉由廢氣而在延 伸的關閉位置與縮回的開啟位置之間移動，且被偏斜進入 延伸的關閉位置中。 1 6、根據申請專利範圍第1 2項所述之裝置，其中， 20 200523462 - 該閥件可依廢氣的溫度而在關閉位置與開啟位置之間移 動，而溫度增加使該閥件移動到該開啟位置。 十一、圖式： 如次頁

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