專利名稱：帶有小容積催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)燃機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有一給定的工作容積和一后接的用于廢氣凈化的催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)燃機(jī)。根據(jù)多數(shù)國(guó)家的法規(guī)規(guī)定，內(nèi)燃機(jī)排出的廢氣通常要用設(shè)置在內(nèi)燃機(jī)排氣系統(tǒng)內(nèi)的催化轉(zhuǎn)化器進(jìn)行凈化。
對(duì)于廢氣凈化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以往大多是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行的。例如在WO91/01178中描述了由多個(gè)蜂窩體組成的廢氣凈化系統(tǒng)，以便能夠通過(guò)該蜂窩體的大小和數(shù)量來(lái)選定內(nèi)燃機(jī)的任一工作容積所需的催化轉(zhuǎn)化器容積。但重要的是，廢氣最終要能被凈化得符合法規(guī)規(guī)定。在當(dāng)今的多數(shù)國(guó)家這也就是說(shuō)，廢氣中多于98％，甚至最好是多于99％的有害成分，特別是碳?xì)浠衔锖?或氮氧化物被轉(zhuǎn)變成無(wú)害的成分。通過(guò)預(yù)先確定的運(yùn)行循環(huán)或在確定的工況下來(lái)度量效率E。
設(shè)計(jì)廢氣凈化系統(tǒng)要考慮的規(guī)范非常之多。一般來(lái)說(shuō)，催化轉(zhuǎn)化器包含有蜂窩體，其任務(wù)在于提供一個(gè)足夠大的、與要凈化的廢氣接觸的幾何表面。該蜂窩體通常具有廢氣的透氣孔道，該孔道由側(cè)壁互相分隔。幾何表面O對(duì)于催化轉(zhuǎn)化器的效率E具有決定性意義。原則上可在一個(gè)預(yù)先給定的容積內(nèi)通過(guò)加大側(cè)壁的數(shù)量A或者在每單位橫截面具有預(yù)先給定數(shù)量A的側(cè)壁的情況下通過(guò)加大容積可得到一個(gè)期望的確定的幾何表面。設(shè)計(jì)時(shí)還必須考慮孔道內(nèi)影響效率E的氣流速度和氣流特性，以及由于催化轉(zhuǎn)化器產(chǎn)生的、影響內(nèi)燃機(jī)效率的廢氣氣流的壓力損失。當(dāng)然了，蜂窩體橫截面形狀的設(shè)計(jì)取決于催化活化涂層的種類、流入蜂窩體的氣流和其他的參數(shù)。
由于蜂窩體進(jìn)一步發(fā)展成催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)催化活化材料的載體，孔道的壁厚越來(lái)越多地減小，這對(duì)壓力損失產(chǎn)生有利影響。因?yàn)殡S著壁厚的減小，在容許的壓力損失情況下使孔道越來(lái)越小進(jìn)而使每單位容積的幾何表面越來(lái)越大，所以空間就設(shè)計(jì)得越來(lái)越大。盡管如此，還是基本上保留了按經(jīng)驗(yàn)得到的規(guī)則，通常使得內(nèi)燃機(jī)中后接的催化轉(zhuǎn)化器的容積與工作容積的尺寸布置相同。
本發(fā)明的目的在于，提供一種帶有后接的催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)燃機(jī)，其中催化轉(zhuǎn)化器這樣地設(shè)計(jì)，使它達(dá)到法規(guī)規(guī)定所要求的高效率E，但具有一個(gè)大大小于內(nèi)燃機(jī)的工作容積H的容積V并且可經(jīng)濟(jì)地制造。尤其是催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)的蜂窩體應(yīng)由金屬的、部分地構(gòu)架的薄膜制造。
為達(dá)到這一目的，提供一種按照權(quán)利要求1所述的帶有后接的催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)燃機(jī)。有利的結(jié)構(gòu)在從屬權(quán)利要求中說(shuō)明。
按照本發(fā)明，將一個(gè)用于廢氣凈化的催化轉(zhuǎn)化器后接于工作容積H的一個(gè)內(nèi)燃機(jī)，其中該催化轉(zhuǎn)化器具有幾何表面O、將廢氣中至少一種有害成分轉(zhuǎn)化成無(wú)害成分的效率E，而且其中該催化轉(zhuǎn)化器至少具有一個(gè)蜂窩體，所有蜂窩體的總?cè)莘e為V，其中該容積V這樣地選定，使其至少以系數(shù)0.6小于工作容積H，同時(shí)這樣地確定幾何表面O的尺寸，使催化轉(zhuǎn)化器的效率大于98％。這些條件用公式表達(dá)為(a)E＞98％(b)V＜0.6H這樣地選定參數(shù)，一方面的優(yōu)點(diǎn)在于，催化轉(zhuǎn)化器只需要較小的容積，因而易于安置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)和/或汽車的底板槽殼下面。當(dāng)然了，每單位容積的幾何表面O相對(duì)于大容積催化轉(zhuǎn)化器必須提高，以達(dá)到必需的效率E。先前人們認(rèn)為為此必需的薄孔道壁提高了帶有大幾何表面的小容積蜂窩體的制造成本，精確的分析意外地表明事實(shí)并非如此，正如下面通過(guò)由金屬薄膜制造的蜂窩體說(shuō)明的那樣。
若蜂窩體橫截面的孔道數(shù)量A至少為500cpsi(孔每平方英寸)就特別有利。將孔道相互分隔的孔道壁的厚度d平均值最大為40微米，最好為35微米，特別是介于18和32微米之間。
(c)A＞＝500cpsi(d)d＜40微米在金屬蜂窩體由涂層的和/或包裹的、至少部分地構(gòu)架的金屬板層制成的情況下，蜂窩體的每橫截面上孔道的數(shù)量A和金屬板層的厚度d之間存在著一定關(guān)系。當(dāng)每橫截面上孔道較少時(shí)，孔道本身的尺寸較大，因此孔道壁必須較厚，使它在脈動(dòng)的廢氣流下不發(fā)生振動(dòng)而在持續(xù)運(yùn)行中不被損壞。孔道的橫截面越小，構(gòu)成孔道壁的構(gòu)架金屬板層的自由振動(dòng)段越短。因此金屬板層可更薄一些，而不提高振動(dòng)傾向。這一效應(yīng)對(duì)于本發(fā)明非常重要，因?yàn)榭紤]到不期望的壓力損失，每橫截面孔道的大數(shù)量A只有當(dāng)孔道壁很薄時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。
因?yàn)闉榱舜呋D(zhuǎn)化器的抗腐蝕性只采用鉻和鋁含量高的鋼板，這種鋼板的軋制相當(dāng)困難，所以專業(yè)人士由此正確地認(rèn)為這樣的厚度減小的鋼薄膜制造成本增大。然而正如還要通過(guò)圖3詳細(xì)說(shuō)明的那樣，精確的考察表明，事實(shí)上當(dāng)薄膜的厚度相應(yīng)地減小時(shí)，蜂窩體內(nèi)每單位橫截面上孔道的數(shù)量A越多，幾何表面O的價(jià)格也越低，對(duì)于催化轉(zhuǎn)化器的效率E實(shí)質(zhì)上完全取決于該幾何表面。因此本發(fā)明的意外的發(fā)現(xiàn)是至少對(duì)于金屬蜂窩體，只要薄膜的厚度d均降低到振動(dòng)傾向所容許的程度，那么每橫截面上孔道的數(shù)量A與蜂窩體的容積V的比值越大，用于達(dá)到必需的催化轉(zhuǎn)化器效率的成本就減小。而每升催化轉(zhuǎn)化器的價(jià)格在該容積下毫無(wú)疑問是隨著每單位橫截面上孔道的數(shù)量A接近于線性增長(zhǎng)的，因此較大的孔道數(shù)量A不一定就是經(jīng)濟(jì)的，事實(shí)上孔道數(shù)量A增大、同時(shí)容積V減小才是特別有利的。
鑒于這一觀點(diǎn)，按照本發(fā)明特別提出至少為600cpsi且孔道壁的平均厚度d最大為32微米的蜂窩體。
下面通過(guò)附圖更詳細(xì)地闡述本發(fā)明。其中

圖1表示一個(gè)帶有后接的催化轉(zhuǎn)化器的內(nèi)燃機(jī)，圖2表示一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器的透視圖及圖3表示說(shuō)明金屬蜂窩體的容積或表面的價(jià)格與每單位橫截面上的孔道的數(shù)量A之間關(guān)系的曲線圖。
圖1表示后接有一個(gè)催化轉(zhuǎn)化器2的內(nèi)燃機(jī)1。一般地，這樣的催化轉(zhuǎn)化器2由一個(gè)或多個(gè)蜂窩體組成且設(shè)置于發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)或汽車的底板槽殼下面。
圖2表示包含有一個(gè)蜂窩體3的催化轉(zhuǎn)化器2。該蜂窩體3在本發(fā)明的本實(shí)施例中由交替布置的平滑6和波形7的金屬板層組成，形成了孔道4，但本發(fā)明不限于本實(shí)施例。金屬板層6、7形成平均厚度為d的孔道壁5。金屬板層6、7一起構(gòu)成蜂窩體3的幾何表面O。但金屬板層6、7還涂覆有一層氧化鋁基的陶瓷的所謂的薄層，因而就產(chǎn)生一個(gè)可比幾何表面O大許多倍的非常大的多孔表面。在未繪示的薄層上涂鍍一種催化活化物質(zhì)，特別是不同貴金屬的混合物。
圖3的曲線圖中，x-軸表示每單位橫截面面積的孔道4的數(shù)量A(cpsi)，同時(shí)沿y-向在左側(cè)表示按蜂窩體容積的價(jià)格(價(jià)格/升)、在右側(cè)表示按面積的價(jià)格(價(jià)格/平方米)。其中由垂直線標(biāo)識(shí)出可使用在市場(chǎng)上一般為現(xiàn)成的厚度d的金屬薄膜的區(qū)域。顯然，50微米厚的金屬薄膜適用于至500cpsi，40微米厚的金屬薄膜適用于500-600cpsi，30微米厚的金屬薄膜適用于至600-800cpsi，對(duì)于每單位橫截面的孔道數(shù)量更多的情況，就采用更薄一些的薄膜。曲線圖中的直線P1說(shuō)明了隨著每單位橫截面的孔道4數(shù)量的增大，每升的價(jià)格是如何增大的。然而對(duì)于本發(fā)明更重要的是，曲線P2表示了當(dāng)每單位橫截面的孔道4數(shù)量增大時(shí)，每平方米的價(jià)格是如何減小的。對(duì)于本發(fā)明的蜂窩體，這就意味著帶有大量孔道的小容積蜂窩體，在幾何表面O相同的情況下要比較大容積的蜂窩體更經(jīng)濟(jì)。
因此本發(fā)明講解的就是每橫截面帶有大數(shù)量A孔道4的小容積催化轉(zhuǎn)化器的經(jīng)濟(jì)的應(yīng)用，特別是大于800cpsi直至1200cpsi的蜂窩體采用平均厚度約25微米甚至20微米的金屬薄膜。用這樣的蜂窩體即使是內(nèi)燃機(jī)1后接的催化器2的容積V只有內(nèi)燃機(jī)1工作容積H的一半或者更小，也可達(dá)到98％，甚至99％的效率。
標(biāo)記號(hào)一覽表1 內(nèi)燃機(jī)2 催化轉(zhuǎn)化器3 蜂窩體4 孔道5 孔道壁6 平滑金屬板層7 構(gòu)架金屬板層A 孔道的數(shù)量d 孔道壁的厚度H 工作容積E 效率O 幾何表面V 容積P1 每單位容積的價(jià)格P2 每單位幾何表面的價(jià)格
權(quán)利要求
1.工作容積為H的內(nèi)燃機(jī)(1)，帶有一個(gè)用于廢氣凈化的后接的催化轉(zhuǎn)化器(2)，其中-催化轉(zhuǎn)化器(2)具有一個(gè)幾何表面0，-催化轉(zhuǎn)化器(2)具有一個(gè)將廢氣中至少一種有害成分轉(zhuǎn)化為無(wú)害成分的效率E及-催化轉(zhuǎn)化器(2)至少具有一個(gè)蜂窩體(3)及-所有的蜂窩體(3)共同具有一個(gè)總?cè)莘eV，其特征在于，-這樣地選定容積V，使其至少以系數(shù)0.6小于工作容積H，同時(shí)這樣地確定幾何表面O的尺寸，使催化轉(zhuǎn)化器(2)的效率(E)大于98％。
2.按照權(quán)利要求1所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，蜂窩體(3)具有可流過(guò)廢氣的孔道(4)，其中在蜂窩體(3)的橫截面內(nèi)孔道(4)的數(shù)量A至少為500cpsi(孔每平方英寸)。
3.按照權(quán)利要求1或2所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，該蜂窩體(3)為一種由涂層的和/或包裹的、至少部分地構(gòu)架的金屬板層(6，7)制成的金屬蜂窩體(3)。
4.按照權(quán)利要求2或3之一所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，孔道(4)通過(guò)孔道壁(5)相互分隔，該孔道壁的平均厚度(d)最大為40微米，最好最大為35微米，特別是介于18和32微米之間。
5.按照權(quán)利要求2或3之一所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，蜂窩體(3)的一個(gè)橫截面上的蜂窩體(3)孔道(4)的數(shù)量(A)至少為600cpsi，同時(shí)孔道壁(5)的平均厚度(d)最大為32微米。
6.按照前面的權(quán)利要求之一所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，該催化轉(zhuǎn)化器為一種三元催化器，在正常運(yùn)行狀態(tài)下廢氣中存在的碳?xì)浠衔锖偷趸镏辽?8％被轉(zhuǎn)化，最好是至少99％。
7.按照前面的權(quán)利要求之一所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，蜂窩體(3)具有多于750cpsi的孔道(4)數(shù)量和小于0.5倍工作容積H的容積V。
8.按照權(quán)利要求7所述的內(nèi)燃機(jī)(1)，其特征在于，蜂窩體(3)的孔道壁(5)的平均厚度(d)小于32微米，最好是約25微米。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種工作容積為H的內(nèi)燃機(jī),帶有一個(gè)用于廢氣凈化的后接的催化轉(zhuǎn)化器(2),其中催化轉(zhuǎn)化器(2)具有一個(gè)幾何表面O、一個(gè)將廢氣中至少一種有害成分轉(zhuǎn)化為無(wú)害成分的效率E及至少具有一個(gè)蜂窩體(3)且其中所有的蜂窩體(3)共同具有一個(gè)總?cè)莘eV。同時(shí)按照本發(fā)明這樣地選定該容積V,使其至少以系數(shù)0.6小于工作容積H,并這樣地確定幾何表面O的尺寸,使催化轉(zhuǎn)化器(2)的效率(E)大于98%。蜂窩體(3)優(yōu)選為一種由涂層的和/或包裹的、至少部分地構(gòu)架的金屬板層(6,7)制成的金屬蜂窩體(3),其孔道(4)通過(guò)孔道壁(5)相互分隔,該孔道壁的平均厚度(d)最大為40微米,最好最大為35微米,特別是介于18和32微米之間,其中蜂窩體(3)的一個(gè)橫截面上的蜂窩體(3)孔道(4)的數(shù)量(A)至少為600cpsi。這樣就可能提供小容積的、特別經(jīng)濟(jì)的蜂窩體。
文檔編號(hào)F01N3/28GK1350615SQ00807290
公開日2002年5月22日 申請(qǐng)日期2000年4月10日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月7日
發(fā)明者羅爾夫·布呂克, 沃爾夫?qū)っ? 路德維希·維瑞斯 申請(qǐng)人:發(fā)射技術(shù)有限公司