专利名称：回流式催化转化器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于内燃机的排气系统，其中该内燃机可以是四冲程或两冲程汽油发动机。然而，排气系统在两冲程发动机中的使用特别便利。因为其紧凑的构造，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。排气系统包括一个壳体，在该壳体中为废气进口设有至少一个孔，并且为废气出口设有另外一个孔。为了防止废气不被净化地逃逸到大气中，至少一个催化元件也布置在壳体中，从而一些或所有废气在经气体出口孔逃逸到大气中之前流经催化元件。
背景技术：
从现有技术知道，在排气系统中使用催化元件来减少来自内燃机的污染物的排放。这些催化元件能够实现带有包含在气体中的成分的废气的以后处理。使用残余的氧分把烃转化成二氧化碳或一氧化碳。对于较低的转化率，即如果不是所有的烃都被转化成二氧化碳或一氧化碳，则涂敷的金属网可能是有用的，而不是通常的蜂窝催化转化器。与蜂窝催化转化器广泛地相比较，二元催化元件的生产特别简单并相应地较便宜。
发明内容
在本上下文中，本发明的目的在于提供一种具有一个催化元件的排气系统，该催化元件可以容易和便宜地制造但借助于该催化元件可以实现高的转化率，以满足日益严格的环境法规。
这个目的由在权利要求1中列出的特征实现，这些特征由于如下原因特别有意义。
根据本发明的用于汽油内燃机的排气系统包括一个壳体，在该壳体中提供有用于废气进口的至少一个孔和用于废气出口的另外一个孔。一个净化单元提供在排气系统的壳体内，并且包括至少一个催化元件和一个回流装置。净化单元可以简单地通过焊接、凸出和/或非凸出的锁定夹具安装到壳体内。催化元件相对于回流装置的布置与容器的原理等效，该容器的开口由筛网部分或完全地覆盖。净化单元本身以这样一种方式布置在壳体内，从而至少流入的废气被部分地或全部地引导通过净化单元中的催化元件。为了保证这些部分转化的废气再次通过同一催化元件，回流装置布置在催化元件后面。当废气已经通过催化元件时，强迫废气撞击回流装置，通过该回流装置使废气向它们刚刚被引出的催化元件折回；并且废气必须再次通过它，这次从另一侧。然后，重复转化的废气的至少一部分能够通过用于废气出口的孔逃逸到大气中或周围。已转化废气的另一部分与流入的废气相混合，并且被再次引导通过净化单元中的催化元件。冷的、流入废气与热的、部分转化的废气的这种混合降低在催化元件上的热负载。这又增大了催化元件的工作寿命。由于也强迫部分转化的废气通过净化单元中的催化元件多次，所以也改进了转化。另外，人为增加了废气在排气系统中的驻留时间。以这种方式，仅借助于一个催化元件就可以实现最佳的净化效果。频繁通过催化元件意味着排气系统可以很小，由此也减少了用于材料的费用。结果，根据本发明的排气系统可以没有困难地在现有的排气结构中被安装或改装。总之，借助于上述措施，用简单的构造和小尺寸可以显著改进排气系统的转化率。此外，净化的应用提供了增强的噪声衰减效果，这种效果取决于废气的精密回流。
排气系统的另外便利配置在从属权利要求2至18中描述。
为了进一步改进根据本发明的排气系统的转化率，废气可以经同一催化元件从两侧被导向多次。为此目的，净化单元必须以这样一种方式布置在壳体中，从而回流废气的大部分由壳体或壳体壁导向回净化单元。以这种方式，废气在它们经出口孔逃逸到大气中之前仅用一个特别平的催化元件就能够被几乎完全转化。
在排气系统的另外一个实施例中，回流装置被配置成碗形或抛物面形。催化元件然后至少部分地布置在回流装置中的孔的前面。回流装置的碗形或抛物面形设计使废气以受控方式回流，从而可以控制通过排气系统的流动路径。通过这种装置，废气的一部分可以以可预计的和限定的方式被回流，从而从两侧流经催化元件几次。
排气系统的另外一个实施例提供成，回流装置的整个孔由催化元件覆盖，从而所有回流废气都被引导通过催化元件至少两次。催化元件可以是平的、弧形的、波纹的或某种其它类似形状。增大催化元件的表面积也用来改进在废气中发生的化学转化过程。
为了防止所有回流废气流经催化元件中的同一点，这会导致仅实现中等的转化率，建议排气系统的另一种变型，其中回流装置的底面具有波纹或起伏的轮廓。底面中的各个隆起或奇点可以防止回流废气的累积，从而废气能够以均匀分布流过催化元件的整个表面。
根据本发明的排气系统的一种简单和便宜的变形提供成，回流装置构成壳体的一部分。在这种情况下，整个回流装置不必由壳体形成，而是例如回流装置的底面可以由一个壳体壁代替。这种措施用来削减材料需求和重量。而且，在净化单元中可以更好地冷却已经部分转化并因此热的废气，从而延长催化元件的工作寿命。为此，对应的壳体壁也可以与波纹一致或者为起伏的，以在较大表面积上耗散热量。
在根据本发明的排气系统的具体弹性设计中，回流装置部分或全部由不锈钢建造。不锈钢的使用用来防止回流装置的腐蚀，回流装置具体地暴露于化学侵蚀废气。以这种方式，可以延长排气系统的整个工作寿命。如果回流装置不与壳体形成一个整体部分(像以前描述的变型)，则整个壳体可以由一块简单的钢面板构造。当然也可以电镀排气系统的壳体和其它元件，以延长它们的工作寿命。
在一个特定的实施例中，相对用于废气进口的孔布置净化单元。以这种方式，有可能保证，所有的流入废气尽可能远地进入净化单元中，并因此被导向成通过净化单元的催化元件至少两次。这也保证被回流的废气的大部分与流入的冷废气混合。在主要流动和压力条件的影响下，混合的废气被送回正面对着用于废气进口的孔的净化单元。因此，这种排气系统呈现高转化率。
为了进一步改进这种转化率，一个净化单元可以包含多个催化元件。例如，借助于并排布置的两个或三个催化元件，显著提高净化单元的效率。以相同方式，可以设想，一个净化单元也可以包含多个回流装置，这些回流装置由一个或多个催化元件覆盖。在一种具有多个回流装置的布置中，流入的废气可以更精确和更灵活地被回流，即在多个不同的方向上被回流。
在排气系统的另外一个实施例中，至少两个净化单元布置在壳体内。以这种方式，废气可以从一个净化单元回流到其它净化单元，并且反之亦然。如果第二净化单元相对于第一净化单元布置，则实现两个净化单元的一种特别简单的布置。以这种方式，可以实现恒定的重复循环或“乒乓”效果，其中废气在它们最终从排气系统逃逸之前通过相同的净化单元多次。
如果至少一个辅助催化元件布置在除现有的净化单元之外的壳体中，并且通过该辅助催化元件引导废气的至少一些，则实现排气系统的一个特别有意义的实施例。该辅助催化元件优选地以这样一种方式布置在壳体中，从而所有流入和流出的废气必须流经该辅助催化元件。为此，辅助催化元件可以包围着壳体内部的废气进口的孔，从而流入废气必须首先通过辅助催化元件。因此，在下文中也将提到一个辅助、第一催化元件。在进口孔后面的辅助、第一催化元件的位置具有这样的优点建立两冲程发动机所必需的废气反压。如果第一催化元件具有弯曲的形状，则同时废气流被最佳地导向到存在的净化单元，因为在这点处建立的废气流的速度和惯性使这个特别简单。也可以设想，把辅助催化元件布置在废气出口孔的前面，尽管这种布置具有流出废气在逃逸到外面之前被再次加热的缺点。
为了尽可能便宜地建造排气系统，可以使用网型或打孔的面板催化元件，这样的元件作为便宜的半成品零件可买到，因为无论如何强迫废气至少通过净化单元的催化元件多次。二元催化元件的使用是对于净化单元中的催化元件和对于辅助催化元件的实际方案。因为根据本发明的废气系统的特定设计，能够实现高转化率，这样的转化率否则只有借助于昂贵的蜂窝催化剂才可实现。因而，在具有网型或打孔面板催化元件的描述构造的排气系统(如在以前部分描述的，也见图1和2)中测得大于50％的转化率。而且，二元、网型或打孔面板催化元件具有这样的优点它们不会加热到与可比较的蜂窝催化转化器那样多，并且它们具有较低的流动阻力。结果，二元催化元件具有较长的工作寿命。另外，内燃机的性能几乎不受影响。
在排气系统的另一个实施例中，催化元件可以构造成自支撑的。以这种方式，可以省去用来把催化元件定位在壳体内或用来把它们固定在回流装置上或其上方的辅助支撑或保持构造。另外，由此扩展了催化元件的可能用途，因为它们几乎允许无限制的形状变化。
在另一个实施例中，催化元件在网形成元件的接触点处可以彼此熔焊或钎焊或否则永久地接合，以改进机械强度。
而且，部分涂敷的催化元件可以用在排气系统的特别便宜的实施例中。例如，不必对催化元件与壳体或回流装置相接触的位置进行涂敷，因为无论如何没有废气能够越过这些位置。
在下面，参照附图和各个实施例将更详细地解释本发明。在附图中图1表示根据本发明的一种排气系统的三维视图，该排气系统具有一个净化单元和一个第一、弧形催化元件，图2表示通过图1的根据本发明的排气系统的纵向截面，图3表示与图2类似的纵向截面，但通过根据本发明的具有多个净化单元的一个不同的实施例，图4a表示用于一种催化元件的催化网的示意图，该催化网具有简单的、交错编织的线股，图4b表示用于一种催化元件的催化网的示意图，该催化网具有成对编织的线股，及图4c表示图4a的催化网的三维视图，该催化网具有简单编织的线股。
具体实施例方式
图1表示根据本发明的排气系统100的一个第一实施例的三维视图。这种排气系统100的一个壳体10具有基本上为立方体的形状。为了也表示排气系统100的内部构造，特别是催化元件14、18及回流装置15的布置，排气系统100以部分切除的方式表示。在这个特别有利的实施例中，一个第一、弧形催化元件18以包围或包含的方式布置在用于废气进口的孔11的前面。结果，强迫所有流入的废气21在进一步流入壳体10的内部19之前通过第一催化元件。净化单元13定位成与第一催化元件18及进口孔11正相对。这个净化单元13包含打孔面板14形式的一个二元催化元件14，在催化元件14后面布置一个碗形回流装置。净化单元13和催化元件18可以通过焊接连接、夹具、或凸出锁定夹具(未表示)以固定的方式固定在壳体10内。在当前情况下，回流装置15的孔16不是部分地，而是全部由催化元件14覆盖。为此，催化元件14也可以通过焊接连接、夹具或凸出锁定夹具固定到回流装置15上。如以前指示的那样，流入废气21的至少大部分经第一催化元件18被导向到净化单元13中。这里，气体然后第一次流经在净化单元中的催化元件14。部分转化的废气然后由回流装置15折回到催化元件14。因此，折回的废气22必须再次通过催化元件14以到达净化单元13。现在，一部分废气23可以经用于废气出口的孔12逃逸到外面，孔12设在壳体10中在排气系统100的上部区域中并且与进口孔11相对。废气的剩余部分与冷的流入废气21混合，并且再次被送过净化单元13。这个实施例特别适用于两冲程发动机。
图2提供根据本发明的排气系统100的操作原理的更清楚说明，因为在这里流入、回流及流出的废气21、22及23表示为箭头。这个图表示通过在图1的进口和出口孔11、12的区域中的排气系统100的纵向截面。如可以清楚看到的那样，流入废气21必须通过催化元件18以到达壳体10的内部19。第一催化元件18的弧形设计使废气的主要部分被导向到在净化单元13中的辅助催化元件14。而且，催化元件14在弧形催化元件上面和下面延伸。以这种方式，可以保证流入废气21的大部分的确也进入净化单元13。在当前情况下，净化单元13没有被设计成壳体10的整体部分。因此，碗形回流装置15具有其自己的底面17。这基本上与在它后面的壳体10的形状一致。结果，它不具有波纹或起伏形状，因为它是平的。已经两次通过催化元件14、18的已部分转化的废气被再次导向通过催化元件14，但这次是从内侧。这些回流废气22的一部分与新鲜的、流入废气21混合，另一部分经过用于废气出口的孔12被导向到外面，并且第三部分再次通过弧形第一催化元件18并且然后由壳体壁折回到净化单元13。在壳体10中废气的这种恒定回流也提供良好的噪声衰减。如果希望进一步的噪声衰减，辅助回流或吸音装置可以提供在内部空间19的空闲、上部区域中。由于废气一般在经排气系统100逃逸之前几次流经净化单元13，所以即使用二元催化元件14、18也能实现高的转化率。
图3的实施例表明根据本发明的一种排气系统100，这种排气系统100包括总共三个净化单元13、13′。在这些单元中，如在以前描述的图1和2的配置中那样，净化单元13被布置成与用于废气进口的孔11相对。但净化单元13建造成壳体10的整体部分。在这种情况下，壳体10用作回流装置15的底面17。碗形回流装置15的底部弯曲也由壳体的存在弯曲代替(见壳体10的左下角)。只有回流装置15的顶部弯曲在壳体10中必须提供为额外部分。这个额外部分可以永久地固定到壳体壁上作为一个弯曲的面板部件。这种设置不仅能够减少使用的材料量，而且也提供了一种改进在壳体整个冷却表面上的散热的手段。为此，底面17也可以是波纹的，从而增大该表面和与此有关的散热。另外，波纹或起伏形的底面17防止回流的废气22以变化的体积被迫通过催化元件14。
另外，两个另外的净化单元13′布置在壳体壁上，在用于废气进口的孔11的上面和下面(与净化单元13相对)。这些另外的净化单元13′进一步增加了在壳体10中希望回流的次数。以这种方式，也可以改进转化率。两个另外的净化单元13′每个包括一个催化元件14′和一个回流装置15′。然而，也可以设想，两个净化单元13′只包括一个完全延伸过(回流装置15′的)两个孔的催化元件14′。这样做的优点在于，正像在图1和2的实施例中那样，同样强迫流入废气21在离开排气系统100之前无论如何都通过催化元件至少一次。两个另外的净化单元13′每个被设计成壳体10的一个整体部分。
如图3中所示，表示一个突起20，净化单元13、13′通过突起20被夹持或钩在壳体10内。然而，这些突起20也可以由焊缝代替，催化元件14、14′和/或净化单元13、13′本身通过焊缝被永久地固定到壳体上。
各种网状催化元件14、14′、18详细地表示在图4a至4c中。图4a和4b表示从上方和从左边看到的相应网的切开截面。这些分别表示通过在图4a和4b中的对应网的水平和垂直截面。网30本身由水平保持的线股31和彼此交错或交织的垂直保持线股32组成。
在图4a的实施例的网30中，两根相邻的水平保持线股31由对其横向延伸的垂直保持线股32简单地织在一起。在这个例子中，一根水平保持线股31交替地上下通过垂直保持线股32，线股32直接彼此靠近地排列。这同样也适用于垂直保持线股32，线股32上下通过两根相邻的水平保持线股31。结果，这种网30具有很平常的编织结构，其中例如水平保持线股31像单丝织物。
为了增加网状催化元件14、14′、18的机械强度和弹性，水平保持线股31与垂直保持线股32在它们的公共接触点33处被永久地连接。这可以例如通过熔焊、钎焊或类似连接实现。这些措施可以用来防止在网30中的有害和有噪声的共振。
在图4c中，图4a的网30以三维表示。以这种方式，单个图用来清楚地说明各根水平和垂直保持线股31、32相对于彼此的路径。
在图4b中表示的网30的变型中，每根水平保持线股31在两根相邻的垂直保持线股32上方通过，并且然后在接着的两根相邻的垂直保持线股32下面通过。两根相邻的水平保持线股31绕过一根垂直保持线股32的相对侧，因而大大地改进网30的稳定性。甚至这些垂直和水平保持线股31、32也可以在它们的接触点33处被永久地彼此连接起来。这也使网30具有编织结构。
当然，为了创建网30，用来将水平和垂直保持线股31、32彼此编织和交织在一起的其它布置是可设想的和可行的。打孔面板和网30的组合也可以用于催化元件14、14′、18。
也应该注意，根据本发明的排气系统100可以用作一个完整的排气系统，或者也可以用作现有部分排气系统的开始、中间、或结束设施。以这种方式，同时可以使用两个或多个平的或平面的催化元件22。各种实施例的多种组合是可能的，除非它们由于技术原因不相容。
最后，应该注意，根据本发明的排气系统100也可以设有除这里描述的那些之外的技术特征，只要这些技术特征完成相同的功能。
附图标记索引100排气系统10 壳体11 用于废气进口的孔12 用于废气出口的孔13 净化单元13′ 辅助净化单元14 13的催化元件14′ 13′的催化元件15 13的回流装置15′ 13′的回流装置16 15的孔17 15的底面18 辅助催化元件19 壳体10的内部或内部空间20 突起21 指示流入废气的箭头22 指示回流废气的箭头23 指示流出废气的箭头30 网31 垂直保持线股32 水平保持线股33 31和32的接触点
权利要求
1.一种用于内燃机的排气系统(100)，具有一个壳体(10)，在该壳体中，设置至少一个用于废气进口的孔(11)以及另一个用于废气出口的孔(12)，并且该排气系统(100)具有一个催化元件，该催化元件布置在排气系统(100)的壳体(10)内，用来净化来自内燃机的废气，其特征在于，至少一个净化单元(13)布置在排气系统(100′)的壳体(10)内，并且包含至少所述催化元件(14)和回流装置(15)，其中废气的一些或全部在它们到达下游的回流装置(15)之前通过净化单元(13)的催化元件(14)，回流装置(15)使废气(22)再次通过催化元件(14)，这次是从另一侧。
2.根据权利要求1所述的排气系统，其特征在于，废气从交替侧流过净化单元(13)的同一催化元件(14)多次，回流的废气(22)被导向成从净化单元(13)、通过壳体(10)并回到净化单元(13)。
3.根据权利要求1或2任一项所述的排气系统，其特征在于，回流装置(15)是碗形或抛物面形，其中回流装置(15)的一个孔(16)指向净化单元(13)的催化元件(14)。
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，回流装置(15)的整个孔(16)由催化元件(14)覆盖，从而从净化单元(13)回流的所有废气(22)都流经催化元件(14)。
5.根据权利要求1至4任一项所述的排气系统，其特征在于，回流装置(15)的底面(17)具有波纹或起伏的轮廓，从而回流废气(22)的累积是可防止的。
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，回流装置(15)形成壳体(10)的一部分。
7.根据权利要求1至6任一项所述的排气系统，其特征在于，回流装置(15)包含不锈钢。
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，与用于废气进口的孔(11)相对地布置净化单元(13)。
9.根据权利要求1至8任一项所述的排气系统，其特征在于，一个净化单元(13)包含多个催化元件(14)和/或多个回流装置(15)。
10.根据权利要求1至9任一项所述的排气系统，其特征在于，至少一个第二净化单元(13′)布置在壳体(10)的内部(19)中。
11.根据权利要求1至10任一项所述的排气系统，其特征在于，一个第二净化单元(13′)与第一净化单元(13)相对地布置，从而回流的废气(22)被导出第一净化单元(13)并被导入第二净化单元(13′)。
12.根据权利要求1至11任一项所述的排气系统，其特征在于，至少一个辅助第一催化元件(18)被设在壳体(10)中，流入废气(21)的一些或全部被导向成通过该催化元件(18)。
13.根据权利要求12所述的排气系统，其特征在于，在废气进口中的孔(11)由在壳体(10)的内部(19)中的第一催化元件(18)包围或包含。
14.根据权利要求12或13任一项所述的排气系统，其特征在于，第一催化元件(18)以弧形形式布置在用于废气进口的孔(11)的前面。
15.根据权利要求1至14任一项所述的排气系统，其特征在于，一个或多个辅助催化元件(18)和属于净化单元(13)的一个或多个催化元件(14)被设计成网或打孔面板。
16.根据权利要求1至15任一项所述的排气系统，其特征在于，催化元件(14、18)被设计成结构支撑部件。
17.根据权利要求1至16任一项所述的排气系统，其特征在于，催化元件(14、18)在网形成元件(31、32)的接触点(33)处被熔焊或钎焊在一起，或者通过某些其它手段被永久地连接。
18.根据权利要求1至17任一项所述的排气系统，其特征在于，部分地或全部地涂敷催化元件(14、18)。
全文摘要
提供一种用于内燃机的排气系统(100)，具有一个壳体(10)，在该壳体中，设置至少一个用于废气进口的孔(11)以及另一个用于废气出口的孔(12)，并且该排气系统(100)具有一个催化元件，该催化元件布置在排气系统(100)的壳体(10)内，用来净化来自内燃机的废气，所述排气系统能够被简单和便宜地制造，但仍然获得高的转化率以满足日益增长的环境要求。建议在排气系统(100)的壳体(10)中设置至少一个净化单元(13)，该净化单元包含至少所述催化元件(14)和回流装置(15)，其中废气的一些或全部在它们到达下游的回流装置(15)之前通过净化单元(13)的催化元件(14)，回流装置(15)使废气(22)再次通过催化元件(14)，这次是从另一侧。
文档编号F01N3/28GK1710263SQ200510078149
公开日2005年12月21日 申请日期2005年6月17日 优先权日2004年6月17日
发明者H·拉德尔, M·克吕格尔 申请人:多尔玛有限公司