專利名稱：內燃機特別是兩沖程內燃機的廢氣催化凈化裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及內燃機，特別是兩沖程內燃機的廢氣催化凈化裝置。
內燃機，特別是按兩沖程原理工作的內燃機，要求一定的廢氣排放裝置結構來保證有效的換氣過程(充入汽化燃料，換氣和排除廢氣)。這些工作過程的有效性不僅取決于消音器適當的調整，還取決于在發動機廢氣出口和消音器之間區域的結構措施。例如，反射面和/或膨脹室(也叫排氣管殼)安置在排氣管中或緊接在排氣管后，從而對氣體動力學施加積極的影響。
常規的廢氣催化凈化系統(例如松散催化劑系統或整體催化劑系統，在多種情況下可安置于靠近發動機的排氣系統的某個部分中)，由于會產生排氣的反壓力以及對氣體動力振動的干攏，已經證明會使二沖程發動機的效率降低。
此外，由于焦油物等使裝置易于阻塞。例如，當發動機在某些工況下運轉，這種阻塞有時會發生在整體式催化劑系統中。不論在什么狀態下，使用常規整體式催化劑系統總是不利的。這是由于它們對于較小容積具有十分高的轉換潛力，使它們暴露于發動機高排放的具有十分高的放熱產物之中，從而使它們面臨熱損傷的危險，甚至有被熔化的危險。本發明的目的是提供一種廢氣凈化系統，該系統更適合于這種類型的發動機。
本發明的目的是這樣達到的，可選擇形成排氣管或膨脹室一部分的外套管被安置在排氣管，帶孔的內管安置在外套管內，并與外套管有間隔，內管的形狀與外套管的形狀相配，在內管的一面或兩面涂有廢氣凈化催化劑，由至少一個連接板來形成外套管和內管之間的間隔，該連接板連接內外管，從而形成環形室，該室可被內管中的突出物或珠形物所阻斷，上述外套管和內管之間的間隔在1.02到1.20mm的范圍內，這取決于外套管內徑和內管外徑之比。
本發明同樣適用于四沖程發動機，因為這類發動機也要求廢氣系統的良好的調整。
在本發明的廢氣凈化裝置中，外套管(1)可以是任何形狀，內管則與外套管相配成形，因此得到幾乎為等橫截面的環形室(5)，圓錐形的環形室同樣構成本發明的一部分。
由于所選擇的尺寸，使環形室(5)僅占據外套管(1)的容積的一小部分。環形室(5)以及孔眼增加了催化劑區域的擾動，從而增加了氣體交換。在本發明裝置的基本結構中，通過環形間隙使上述作用得到加強。該間隙在兩端都是開口，并保證氣體回流過催化劑涂敷的內管。對于某些發動機的結構，可以將環形室至少在一端的任何位置封閉，最好是通過加寬內管端部的方法或利用焊接或焊料實現該封閉。
當孔眼為圓形孔時，這些在內管上的圓孔的直徑范圍是0.75mm到10mm，孔與孔之間的間隔范圍是1.0mm到15mm。孔的直徑最好是從1.5mm到6mm，孔之間的間隔最好是2.0mm到7.5mm。內管上可以有不同直徑，有規律地排列在整個管上的孔。
孔眼不一定是圓形，也可以是矩形，縫口形或任何其它形狀，或這些不同形狀的組合。因此，除了圓孔之外，也可以采用矩形孔或縫口形式的孔或任何其它形式的孔，或這些不同形式孔的組合。此外，在內管長度范圍，孔的大小和數量可以變化，內管管體可由金屬網或硬鋼絲所組成。
對于不同的實施例，孔的相對自由表面積(孔眼的總面積)為5%到80%，最好是20%到60%。
內管上的孔可以通過深沖向上和/或向下指向的凸起來成形，從而使在內管上作為擾流器的孔的作用得到加強。
內管可由兩個半殼結合在一起而形成，特別是考慮制造上的技術原因而這樣做的。這也導致環形室剖分為兩半。
內管由同樣涂覆著催化劑的金屬絲網、拉伸的金屬或其它帶孔的管所環繞和嵌貼，通過用這種環繞和嵌貼，使管的幾何表面積得到增加，從而達到提高有害物質轉化率的目的。
按照本發明的裝置，即可作為主催化劑系統，又可以作為與任何結構的主催化劑系統串連安置的預催化劑系統。該裝置可以作為預催化劑系統置放于整體主催化劑系統(6)之前。當本裝置作為預催化劑系統時，有害物質的部分轉化會導致溫度上升，從而促使(甚至是必要的)使安置在排氣系統冷卻器部分的主催化劑系統開始工作。當污染物濃度很高，同時廢氣又在高溫狀態，部分轉換的優點在于減小了高溫損害的影響，這是由于在預催化劑系統和主催化劑系統之間的廢氣受到冷卻，從而防止由熱造成主催化劑系統過早的破壞和鈍化作用。從下面給出的實際應用的例子可以看出，當本發明的裝置作為主催化劑系統應用時，該裝置的轉換效率驚人的高。另外，當本發明的裝置在兩輪車輛上作為主催化劑系統應用時，它可以滿足目前的和將來的排放限制值。
所使用的催化劑可以是用于奧托(otto)發動機的廢氣凈化的含有貴重金屬和/或非貴重金屬的任何常規配方。
含有鉑(Pt)、鈀(Pd)和/或銠(Rh)，裝載在耐熱氧化載體材料(AL2O3，SiO2，硅酸鋁)上的貴重金屬催化劑是特別合適的催化劑，為活化和改善熱穩定性，載體材料可帶有氧化添加劑，比如CeO2，ZrO2，堿金屬氧化物和/或稀土金屬氧化物。
為了改善帶孔的管形體的耐熱性以及涂敷層的粘著性，在氧化載體材料應用之前可通過噴沙，火焰噴涂或鋁化作為初步處理。
例1.
由耐高溫鋼1.4841制作的帶有小孔的圓錐形彎曲的管的直徑為30mm和55mm，展開長度為345mm，小孔的直徑為2mm，小孔之間的間距為3.15mm，該圓錐形管在900℃的空氣中回火處理3個小時。
然后，彎曲的管體由彌散度約為40%的r-AL2O3(150m2/g)，鈰乙酸鹽和氧鋯基乙酸鹽所鑲襯，在120℃下烘干，并在600℃下煅燒兩個小時。涂敷層的量AL2O3為7.5g，CeO2為2g，ZrO2為0.5g。然后，管狀體浸漬在Pt(NH3)4(OH)2和Rh(NO3)3的溶液中(重量比為Pt∶Rh＝5∶1)，在400℃的成形氣體(N2∶H2＝95∶5)下烘干和還原。
貴重金屬的添加量為每部分0.24g。
例2.
利用
圖1所示的試驗裝置對例1中提出的催化劑做了試驗。在內管的外徑和外套管的內徑之間的環形間隙為1mm。
試驗用車輛為二輪摩托車，裝有風冷兩沖程的單缸發動機，沖程容積為148Cm3。該兩輪摩托車在每分鐘8100轉的額定轉速下的功率為14Kw。使用的燃料為機油和汽油1∶50的混合燃料。
按照ECE R40的試驗規則，該車輛是在柱型試驗臺上進行試驗的。在催化劑入口的廢氣溫度，在試驗循環中是在250℃到650℃之間變化。廢氣分析采用恒體積進樣(CVS)原理。
下面是得到的排放結果CO HC+NOxg/Km g/Km沒有催化劑 3.25 5.86有催化劑 1.13 2.56對于CO的轉換率為68%，對于(HC+NOx)的轉換率為56%。
通過使用這種特殊結構的催化劑，可以在不對氣體動力過程產生大的影響的情況下，使排放值達到1990年10月1日生效的瑞士排放限制值(CO＝8.0g/Km，HC+NOx＝3.1g/Km)，如果對氣體的動力過程干擾太大，將導致二沖程發動機輸出功率的損失。
例3.
由耐熱鋼1.4828制成的錐形管的壁厚為1mm，直徑為39mm和61mm，長度為150mm，并帶有槽孔(長×寬＝6mm×1.5mm，連接板寬為1.3mm)。由火焰噴涂的以AL2O3為基體的粗氧化物層，通過貼附面牢牢附襯在錐形管上。然后，因此而預熱了的金屬管浸入到由穩定的La2O3，r-Al2O3(130m2/g)和氧化鈰的42%的懸浮體中，將多余的涂層材料吹掉，管進行烘干并在500℃下回火處理兩小時。在管被涂敷處理后，它帶有的Al2O3為3.9g，La2O3為0.2g，CeO2為1.0g。預催化劑段是浸入在Pt(NH3)2(NO2)2和Pd(NO3)2的硝酸溶液中(重量比為Pt∶Pd＝2∶1)，烘干處理并在300℃空氣中煅燒。每部分貴重金屬的量為125mg。
例4.
用圖2所示的試驗裝置對例3中的催化劑進行試驗。內管的外徑和外套管的內徑之間的環形間隙平均為1.5mm。試驗用車輛為風冷兩沖程單缸發動機(沖程容量為134CC)的二輪摩托車。在每分鐘8100轉的額定轉速下，發動機功率為12Kw。使用機油和汽油比為1∶30的混合燃料。
按照ECE R40試驗規則，在滾柱型試驗臺上對車輛進行試驗。在催化劑入口的廢氣溫度為150～420℃。廢氣分析采用CVS原理。
下面是得到的排放數據CO HC NOxg/Km g/Km g/Km沒有催化劑 6.86 10.15 0.016有催化劑 3.16 5.96 0.014因此，對CO的轉換率為53%，對HC為41%，對NOx為13%。
通過使用這種特殊結構的催化劑，可以適合奧地利1991年9月3日開始實施的二沖程摩托車的排放限制標準(CO＝8g/Km，HC＝7.5g/Km，NOx＝0.1g/km)。
例5.
直徑為60mm，長度為75mm，晶粒密度為31晶粒/平方厘米的整體式金屬載體，通過浸入r-Al2O3，鈰乙酸鹽和氧鋯基乙酸鹽的含水懸浮體中，吹掉多余的涂敷材料，并得到涂敷嵌襯。在120℃下烘干，在700℃下煅燒1小時，載體中有25g的Al2O3，5g的CeO2和1g的ZrO2。然后，浸放在Pt(NH3)4(OH)2和Rh(NO3)3的溶液中作為預催化劑段，并在300℃下烘干。當載體已被涂覆后，催化劑含有按重量比Pt∶Rh＝5∶1的貴重金屬0.36g。
例6.
例3和例5的催化劑被組合在如圖3所示的二沖程二輪摩托車的排氣裝置中。如例4那樣進行試驗。
下面是得到的排放值CO HC NOxg/km g/km g/km沒有催化劑 6.86 10.15 0.016有催化劑 1.10 1.45 0.014相比例4所得的結果，本例中的轉換率明顯的高。對于CO的轉換率為84%，在幾乎同樣的NOx排量的情況下，對于HC為86%。因此，這種設計尤其適于將來更為嚴格的排放限制的情況。
如果在圖3的裝置中只用例5中的催化劑，則不能得到高的轉換率，這是因為沒有錐形預催化劑系統，使溫度水平太低的緣故。
如果例5的催化劑在預催化劑(圖3)的區域中更靠近發動機，氣體動力過程將受到干擾，發動機的輸出功率會降低，因此，這種安置是不可行的。
權利要求
1.用于內燃機，特別是兩沖程發動機廢氣的催化凈化裝置，其特征在于，可選擇形成排氣管或膨脹室一部分的外套管被安置在排氣管中，帶孔的內管(3)安置在外套管內，并與外套管有間隔，內管的形狀與外套管的形狀相配，在內管的一面或兩面涂有廢氣凈化催化劑(2)，由至少一個連接板來形成外套管和內管之間的間隔，該連接板連接內外管從而形成環形室(5)，該室可被內管中的突出物或珠形物所阻斷，上述外套管和內管之間的間隔是在1.01到1.20mm范圍內，這取決于外套管內徑和內管外徑之比。
2.按照權利要求1所述的裝置，其特征在于，環形室(5)至少在一端的任一位置被封閉，最好是通過加寬內管端部的方法或利用焊接或焊料接來實現該封閉。
3.按照權利要求1或2所述的裝置，其特征在于，內管上的孔可以通過深沖向上和/或向下指向的凸起來成形。
4.按照權利要求1到3所述的裝置，其特征在于，內管(3)是由可結合在一起的兩個半殼所組成的。
5.按照權利要求1到4所述的裝置，其特征在于，內管由同樣涂覆著催化劑的金屬絲網，拉伸的金屬或其它帶孔的管所環繞和嵌襯。
6.按照權利要求1到5所述的裝置，其特征在于，該裝置作為預催化劑系統置放于整體主催化劑系統(6)之前。
7.按照權利要求1到6所述的裝置，其特征在于，所述孔為具有內徑為0.75mm到10mm，最好是1.5mm到6mm的圓形孔。
8.按照權利要求1到7所述的裝置，其特征在于，孔所占的面積為5%到80%，最好是20%到60%。
全文摘要
本發明涉及內燃機，特別是兩沖程內燃機的廢氣催化凈化裝置，它包括安置在排氣通道的外套管，外套管內有帶孔的內管，在外套管和內管之間形成一窄的環形室。內管鑲襯著催化劑。
文檔編號F01N13/02GK1052355SQ9010962
公開日1991年6月19日 申請日期1990年12月1日 優先權日1989年12月2日
發明者潤內爾·多米斯爾, 博恩德·英格拉爾, 阿爾瑞池·波勞澤克, 英德格·考伯爾斯坦, 荷波爾特·沃爾克爾 申請人:底古薩股份公司