专利名称：带有小容积催化转化器的内燃机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种带有一给定的工作容积和一后接的用于废气净化的催化转化器的内燃机。根据多数国家的法规规定，内燃机排出的废气通常要用设置在内燃机排气系统内的催化转化器进行净化。
对于废气净化系统的设计以往大多是根据经验进行的。例如在WO91/01178中描述了由多个蜂窝体组成的废气净化系统，以便能够通过该蜂窝体的大小和数量来选定内燃机的任一工作容积所需的催化转化器容积。但重要的是，废气最终要能被净化得符合法规规定。在当今的多数国家这也就是说，废气中多于98％，甚至最好是多于99％的有害成分，特别是碳氢化合物和/或氮氧化物被转变成无害的成分。通过预先确定的运行循环或在确定的工况下来度量效率E。
设计废气净化系统要考虑的规范非常之多。一般来说，催化转化器包含有蜂窝体，其任务在于提供一个足够大的、与要净化的废气接触的几何表面。该蜂窝体通常具有废气的透气孔道，该孔道由侧壁互相分隔。几何表面O对于催化转化器的效率E具有决定性意义。原则上可在一个预先给定的容积内通过加大侧壁的数量A或者在每单位横截面具有预先给定数量A的侧壁的情况下通过加大容积可得到一个期望的确定的几何表面。设计时还必须考虑孔道内影响效率E的气流速度和气流特性，以及由于催化转化器产生的、影响内燃机效率的废气气流的压力损失。当然了，蜂窝体横截面形状的设计取决于催化活化涂层的种类、流入蜂窝体的气流和其他的参数。
由于蜂窝体进一步发展成催化转化器内催化活化材料的载体，孔道的壁厚越来越多地减小，这对压力损失产生有利影响。因为随着壁厚的减小，在容许的压力损失情况下使孔道越来越小进而使每单位容积的几何表面越来越大，所以空间就设计得越来越大。尽管如此，还是基本上保留了按经验得到的规则，通常使得内燃机中后接的催化转化器的容积与工作容积的尺寸布置相同。
本发明的目的在于，提供一种带有后接的催化转化器的内燃机，其中催化转化器这样地设计，使它达到法规规定所要求的高效率E，但具有一个大大小于内燃机的工作容积H的容积V并且可经济地制造。尤其是催化转化器内的蜂窝体应由金属的、部分地构架的薄膜制造。
为达到这一目的，提供一种按照权利要求1所述的带有后接的催化转化器的内燃机。有利的结构在从属权利要求中说明。
按照本发明，将一个用于废气净化的催化转化器后接于工作容积H的一个内燃机，其中该催化转化器具有几何表面O、将废气中至少一种有害成分转化成无害成分的效率E，而且其中该催化转化器至少具有一个蜂窝体，所有蜂窝体的总容积为V，其中该容积V这样地选定，使其至少以系数0.6小于工作容积H，同时这样地确定几何表面O的尺寸，使催化转化器的效率大于98％。这些条件用公式表达为(a)E＞98％(b)V＜0.6H这样地选定参数，一方面的优点在于，催化转化器只需要较小的容积，因而易于安置在发动机舱内和/或汽车的底板槽壳下面。当然了，每单位容积的几何表面O相对于大容积催化转化器必须提高，以达到必需的效率E。先前人们认为为此必需的薄孔道壁提高了带有大几何表面的小容积蜂窝体的制造成本，精确的分析意外地表明事实并非如此，正如下面通过由金属薄膜制造的蜂窝体说明的那样。
若蜂窝体横截面的孔道数量A至少为500cpsi(孔每平方英寸)就特别有利。将孔道相互分隔的孔道壁的厚度d平均值最大为40微米，最好为35微米，特别是介于18和32微米之间。
(c)A＞＝500cpsi(d)d＜40微米在金属蜂窝体由涂层的和/或包裹的、至少部分地构架的金属板层制成的情况下，蜂窝体的每横截面上孔道的数量A和金属板层的厚度d之间存在着一定关系。当每横截面上孔道较少时，孔道本身的尺寸较大，因此孔道壁必须较厚，使它在脉动的废气流下不发生振动而在持续运行中不被损坏。孔道的横截面越小，构成孔道壁的构架金属板层的自由振动段越短。因此金属板层可更薄一些，而不提高振动倾向。这一效应对于本发明非常重要，因为考虑到不期望的压力损失，每横截面孔道的大数量A只有当孔道壁很薄时才能实现。
因为为了催化转化器的抗腐蚀性只采用铬和铝含量高的钢板，这种钢板的轧制相当困难，所以专业人士由此正确地认为这样的厚度减小的钢薄膜制造成本增大。然而正如还要通过图3详细说明的那样，精确的考察表明，事实上当薄膜的厚度相应地减小时，蜂窝体内每单位横截面上孔道的数量A越多，几何表面O的价格也越低，对于催化转化器的效率E实质上完全取决于该几何表面。因此本发明的意外的发现是至少对于金属蜂窝体，只要薄膜的厚度d均降低到振动倾向所容许的程度，那么每横截面上孔道的数量A与蜂窝体的容积V的比值越大，用于达到必需的催化转化器效率的成本就减小。而每升催化转化器的价格在该容积下毫无疑问是随着每单位横截面上孔道的数量A接近于线性增长的，因此较大的孔道数量A不一定就是经济的，事实上孔道数量A增大、同时容积V减小才是特别有利的。
鉴于这一观点，按照本发明特别提出至少为600cpsi且孔道壁的平均厚度d最大为32微米的蜂窝体。
下面通过附图更详细地阐述本发明。其中
图1表示一个带有后接的催化转化器的内燃机，图2表示一个催化转化器的透视图及图3表示说明金属蜂窝体的容积或表面的价格与每单位横截面上的孔道的数量A之间关系的曲线图。
图1表示后接有一个催化转化器2的内燃机1。一般地，这样的催化转化器2由一个或多个蜂窝体组成且设置于发动机舱内或汽车的底板槽壳下面。
图2表示包含有一个蜂窝体3的催化转化器2。该蜂窝体3在本发明的本实施例中由交替布置的平滑6和波形7的金属板层组成，形成了孔道4，但本发明不限于本实施例。金属板层6、7形成平均厚度为d的孔道壁5。金属板层6、7一起构成蜂窝体3的几何表面O。但金属板层6、7还涂覆有一层氧化铝基的陶瓷的所谓的薄层，因而就产生一个可比几何表面O大许多倍的非常大的多孔表面。在未绘示的薄层上涂镀一种催化活化物质，特别是不同贵金属的混合物。
图3的曲线图中，x-轴表示每单位横截面面积的孔道4的数量A(cpsi)，同时沿y-向在左侧表示按蜂窝体容积的价格(价格/升)、在右侧表示按面积的价格(价格/平方米)。其中由垂直线标识出可使用在市场上一般为现成的厚度d的金属薄膜的区域。显然，50微米厚的金属薄膜适用于至500cpsi，40微米厚的金属薄膜适用于500-600cpsi，30微米厚的金属薄膜适用于至600-800cpsi，对于每单位横截面的孔道数量更多的情况，就采用更薄一些的薄膜。曲线图中的直线P1说明了随着每单位横截面的孔道4数量的增大，每升的价格是如何增大的。然而对于本发明更重要的是，曲线P2表示了当每单位横截面的孔道4数量增大时，每平方米的价格是如何减小的。对于本发明的蜂窝体，这就意味着带有大量孔道的小容积蜂窝体，在几何表面O相同的情况下要比较大容积的蜂窝体更经济。
因此本发明讲解的就是每横截面带有大数量A孔道4的小容积催化转化器的经济的应用，特别是大于800cpsi直至1200cpsi的蜂窝体采用平均厚度约25微米甚至20微米的金属薄膜。用这样的蜂窝体即使是内燃机1后接的催化器2的容积V只有内燃机1工作容积H的一半或者更小，也可达到98％，甚至99％的效率。
标记号一览表1 内燃机2 催化转化器3 蜂窝体4 孔道5 孔道壁6 平滑金属板层7 构架金属板层A 孔道的数量d 孔道壁的厚度H 工作容积E 效率O 几何表面V 容积P1 每单位容积的价格P2 每单位几何表面的价格
权利要求
1.工作容积为H的内燃机(1)，带有一个用于废气净化的后接的催化转化器(2)，其中-催化转化器(2)具有一个几何表面0，-催化转化器(2)具有一个将废气中至少一种有害成分转化为无害成分的效率E及-催化转化器(2)至少具有一个蜂窝体(3)及-所有的蜂窝体(3)共同具有一个总容积V，其特征在于，-这样地选定容积V，使其至少以系数0.6小于工作容积H，同时这样地确定几何表面O的尺寸，使催化转化器(2)的效率(E)大于98％。
2.按照权利要求1所述的内燃机(1)，其特征在于，蜂窝体(3)具有可流过废气的孔道(4)，其中在蜂窝体(3)的横截面内孔道(4)的数量A至少为500cpsi(孔每平方英寸)。
3.按照权利要求1或2所述的内燃机(1)，其特征在于，该蜂窝体(3)为一种由涂层的和/或包裹的、至少部分地构架的金属板层(6，7)制成的金属蜂窝体(3)。
4.按照权利要求2或3之一所述的内燃机(1)，其特征在于，孔道(4)通过孔道壁(5)相互分隔，该孔道壁的平均厚度(d)最大为40微米，最好最大为35微米，特别是介于18和32微米之间。
5.按照权利要求2或3之一所述的内燃机(1)，其特征在于，蜂窝体(3)的一个横截面上的蜂窝体(3)孔道(4)的数量(A)至少为600cpsi，同时孔道壁(5)的平均厚度(d)最大为32微米。
6.按照前面的权利要求之一所述的内燃机(1)，其特征在于，该催化转化器为一种三元催化器，在正常运行状态下废气中存在的碳氢化合物和氮氧化物至少98％被转化，最好是至少99％。
7.按照前面的权利要求之一所述的内燃机(1)，其特征在于，蜂窝体(3)具有多于750cpsi的孔道(4)数量和小于0.5倍工作容积H的容积V。
8.按照权利要求7所述的内燃机(1)，其特征在于，蜂窝体(3)的孔道壁(5)的平均厚度(d)小于32微米，最好是约25微米。
全文摘要
本发明涉及一种工作容积为H的内燃机,带有一个用于废气净化的后接的催化转化器(2),其中催化转化器(2)具有一个几何表面O、一个将废气中至少一种有害成分转化为无害成分的效率E及至少具有一个蜂窝体(3)且其中所有的蜂窝体(3)共同具有一个总容积V。同时按照本发明这样地选定该容积V,使其至少以系数0.6小于工作容积H,并这样地确定几何表面O的尺寸,使催化转化器(2)的效率(E)大于98%。蜂窝体(3)优选为一种由涂层的和/或包裹的、至少部分地构架的金属板层(6,7)制成的金属蜂窝体(3),其孔道(4)通过孔道壁(5)相互分隔,该孔道壁的平均厚度(d)最大为40微米,最好最大为35微米,特别是介于18和32微米之间,其中蜂窝体(3)的一个横截面上的蜂窝体(3)孔道(4)的数量(A)至少为600cpsi。这样就可能提供小容积的、特别经济的蜂窝体。
文档编号F01N3/28GK1350615SQ00807290
公开日2002年5月22日 申请日期2000年4月10日 优先权日1999年5月7日
发明者罗尔夫·布吕克, 沃尔夫冈·毛斯, 路德维希·维瑞斯 申请人:发射技术有限公司