專利名稱：尤其用于柴油機(jī)或稀混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)的催化轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分所述的催化轉(zhuǎn)換器。鑒于在許多國家日益嚴(yán)格的環(huán)境法規(guī)，用于凈化廢氣的催化轉(zhuǎn)換器必須更準(zhǔn)確地適應(yīng)汽車的內(nèi)燃機(jī)及其運(yùn)行方式。
在汽油機(jī)的廢氣凈化中，由先有技術(shù)已知，為了降低在冷起動(dòng)階段的有害物排放采用一種催化轉(zhuǎn)化器，它有具有盡可能小的每單位體積的熱容量的第一區(qū)，因此這一區(qū)迅速加熱、起動(dòng)催化反應(yīng)以及通過由此產(chǎn)生的熱能加熱催化轉(zhuǎn)換器處于更下游的部分。在WO 92/02716中介紹了這種催化轉(zhuǎn)換器的一個(gè)例子。
US 5549873和EP 0705962 A1也介紹了在前部區(qū)內(nèi)具有較小熱容量的蜂窩體。所有三個(gè)文件共同之點(diǎn)在于，在第一區(qū)內(nèi)的表面積比第二區(qū)的小，因此基本上達(dá)到減小熱容量。
除了所介紹的具有較小熱容量的第一區(qū)的整體式蜂窩體外，在許多排氣裝置中還有一些具有兩個(gè)蜂窩體的方案，其中第一個(gè)蜂窩體每單位橫截面積有較少的通道數(shù)并因而有較小的熱容量。
最近幾年總的發(fā)展趨勢(shì)是，在所有的蜂窩中壁越來越薄以及導(dǎo)致總體上盡可能小的熱容量。之所以這樣做的原因，除了減輕重量外，主要是希望在排氣系統(tǒng)內(nèi)的壓力損失盡可能小再加上希望有盡可能大的每單位體積的面積。
這些基本上在汽油機(jī)中獲得并適用的知識(shí)涉及傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)思想，其中，廢氣和燃料的混合物盡可能準(zhǔn)確地按化學(xué)計(jì)算法調(diào)整。
然而這些設(shè)計(jì)思想不能毫無問題地轉(zhuǎn)用于柴油機(jī)或所謂的稀混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)，亦即以大的空氣過量工作的發(fā)動(dòng)機(jī)，尤其采用汽油直接噴射的發(fā)動(dòng)機(jī)。由于在廢氣內(nèi)大的空氣過量，在工作時(shí)那里存在的溫度比按化學(xué)計(jì)算法工作時(shí)的低得多。當(dāng)然。盡管希望在內(nèi)燃機(jī)冷起動(dòng)后在催化轉(zhuǎn)換器內(nèi)盡可能迅速地達(dá)到對(duì)催化轉(zhuǎn)換必要的工作溫度，但是在晚些時(shí)候的運(yùn)行中，尤其在怠速階段中產(chǎn)生如此低的排氣溫度，以致使催化轉(zhuǎn)換器在有的情況下冷卻到為轉(zhuǎn)換所需的工作溫度之下，因此在隨后的負(fù)載階段起先向環(huán)境排出有害物質(zhì)。
因此本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種用于凈化廢氣的催化轉(zhuǎn)換器，它尤其適用于柴油機(jī)和稀混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)，在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后迅速達(dá)到其工作溫度，但是在隨后的排氣溫度較低的階段中不會(huì)很快重新喪失此工作溫度。
按權(quán)利要求1的催化轉(zhuǎn)換器用于達(dá)到此目的。在從屬權(quán)利要求中給出有利的進(jìn)一步發(fā)展。
本發(fā)明決定性的步驟在于，在催化轉(zhuǎn)換器內(nèi)，在常見的以及在本例中也期望的熱容量小的區(qū)的下游，提供一個(gè)每單位蜂窩體體積熱容量特別高的第二區(qū)。與發(fā)展趨勢(shì)相反，在這里因?yàn)橐@著改善廢氣凈化質(zhì)量不得不忍受較大的重量和略高的壓力損失。
按本發(fā)明，用于凈化廢氣的催化轉(zhuǎn)換器至少有一個(gè)具有催化活性物質(zhì)涂層的蜂窩體，它有借助于壁彼此分開可流過廢氣的通道，其中，轉(zhuǎn)換器沿流動(dòng)方向前后有第一區(qū)和第二區(qū)，其中第一區(qū)蜂窩體每單位體積的熱容量比第二區(qū)的小。在這里，第二區(qū)有特別大的熱容量為至少每升和每開爾文有800焦耳[J/LK]，優(yōu)選地至少有900。在第二區(qū)內(nèi)這種大熱容量的作用在于蓄熱，因此在排氣溫度低時(shí)所蓄的熱可以在一定時(shí)間內(nèi)維持催化反應(yīng)。
在發(fā)動(dòng)機(jī)冷起動(dòng)后，第一區(qū)如按先有技術(shù)已知的那樣迅速加熱，并開始有害的廢氣成分尤其碳?xì)浠衔锖鸵谎趸嫉拇呋D(zhuǎn)換。這種反應(yīng)是放熱的并支持迅速加熱現(xiàn)在開始蓄熱的第二區(qū)。為了在此冷起動(dòng)階段中進(jìn)行轉(zhuǎn)化反應(yīng)，催化轉(zhuǎn)換器第一區(qū)的表面積基本上足夠了，所以第二區(qū)溫度緩慢上升對(duì)于有害物質(zhì)排放沒有造成不利的影響。因此，第二區(qū)在后續(xù)的排氣溫度低的運(yùn)行階段借助于所蓄的熱可以繼續(xù)維持催化反應(yīng)，在此期間第一區(qū)由于其熱容量小而迅速冷卻到低于必要的轉(zhuǎn)化溫度。在再往后的排氣溫度較高的階段放熱反應(yīng)迅速地重新轉(zhuǎn)移到第一區(qū)內(nèi)，因此第二區(qū)重新加熱并能蓄入新的熱量。這一過程總體上導(dǎo)致即使在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式變換的情況下仍能均勻和有效地凈化廢氣，上述運(yùn)行方式的變換例如尤其可能在居民區(qū)行駛時(shí)和在相應(yīng)的試車循環(huán)中發(fā)生。
原則上有多種可能性制造具有熱容器特別大的第二區(qū)的催化轉(zhuǎn)換器。熱容量可通過增加載體結(jié)構(gòu)的壁厚和/或通過增加涂層的厚度獲得。當(dāng)然，除此之外也可以與第一區(qū)相比增加每單位橫截面積的通道數(shù)量。
在一種優(yōu)選的實(shí)施形式中，催化轉(zhuǎn)換器由兩個(gè)單個(gè)的蜂窩體組成，它們可并列靠近或在空間上略有分開地布置，其中第二蜂窩體的壁比第一蜂窩體的厚。在由金屬薄板層卷繞、疊層或纏繞而成的蜂窩體的情況下，按本發(fā)明第一區(qū)平均的無涂層壁厚小于0.06mm，優(yōu)選地小于0.04mm，而第二區(qū)平均的無涂層壁厚大于0.06mm，優(yōu)選地大于0.08mm，尤其有0.11mm厚。因?yàn)槌鲎杂诩庸ぜ夹g(shù)和/或力學(xué)方面的原因，有可能會(huì)要求各個(gè)薄板層，尤其是光滑的和波紋狀的薄板層設(shè)計(jì)為不同的厚度，所以在本例的情況下提供的數(shù)據(jù)是平均的金屬薄板層厚度。但特別優(yōu)選的是，在一個(gè)區(qū)內(nèi)所有的薄板層采用相同的厚度。由于通常使用的不銹鋼有大的熱容量，迄今對(duì)于金屬蜂窩體幾乎不考慮的大于0.08mm的薄板厚度允許儲(chǔ)存大量的熱，這一熱量可以使作為涂層存在于薄板層上的陶瓷基面修補(bǔ)涂層在一段時(shí)間內(nèi)保持在工作溫度，即使在排氣溫度已劇烈下降的情況下。
當(dāng)然，作為替換形式或附加地還可以在一個(gè)催化轉(zhuǎn)換器的第一和第二區(qū)內(nèi)涂層厚度是不一樣的，所以在第一區(qū)內(nèi)得出壁加上涂層的總厚度小于0.08mm，而在第二區(qū)內(nèi)總厚度大于0.1mm，優(yōu)選地大于0.12mm。這樣做尤其對(duì)于用厚度全都相同的載體材料制的整體式蜂窩體而言提供了制成熱容量不同的兩個(gè)區(qū)的可能性。
為了在冷起動(dòng)階段盡管第二區(qū)緩慢加熱但仍有足夠的表面積用于催化轉(zhuǎn)換，第一區(qū)的軸向長度應(yīng)為10至60mm，優(yōu)選地為20至50mm。但在總體上第二區(qū)的軸向長度應(yīng)至少是第一區(qū)軸向長度的兩倍。對(duì)于兩個(gè)區(qū)數(shù)量至少為360cpsi(cells per squareinch)已證明是恰當(dāng)?shù)摹?br> 在下面借助示意表示本發(fā)明實(shí)施例的附圖
進(jìn)一步說明本發(fā)明的其他詳情和優(yōu)點(diǎn)。
附圖表示了一個(gè)具有蜂窩體6的催化轉(zhuǎn)換器。此蜂窩體有一個(gè)軸向長度a的沿軸向第一區(qū)1和軸向長度b的沿軸向第二區(qū)2。蜂窩體6沿流動(dòng)方向S被內(nèi)燃機(jī)尤其柴油機(jī)或稀混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣流過。應(yīng)當(dāng)指出，蜂窩體6可以是整體式蜂窩體，其中設(shè)計(jì)有熱容量不同的區(qū)1、2，但它也可以是由兩個(gè)分開的用于兩個(gè)區(qū)1、2的蜂窩體組成，它們?nèi)缓笱b在一共同的外套管7內(nèi)。按本實(shí)施例的蜂窩體由彼此反向纏繞的光滑金屬薄板層4和波紋的金屬薄板層5組成，它們構(gòu)成可流過廢氣的通道3。在優(yōu)選的實(shí)施例中，在第一區(qū)1內(nèi)所有薄板的厚度約為0.03mm，在第二區(qū)2內(nèi)則不同約為0.11mm。由此，使第二區(qū)具有涂層的熱容量超過900J/LK。
本發(fā)明允許在柴油機(jī)或稀混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)變換的工作狀態(tài)下有效地凈化廢氣，與此同時(shí)按本發(fā)明的方案簡單、成本低以及在重量和壓力損失方面只有輕微的缺點(diǎn)。
權(quán)利要求
1．凈化內(nèi)燃機(jī)尤其柴油機(jī)或稀混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的催化轉(zhuǎn)換器，包括至少一個(gè)有催化活性活質(zhì)涂層的蜂窩體(6)，它有通過壁(4、5)互相分開可流過廢氣的通道(3)，其中，轉(zhuǎn)換器沿流動(dòng)方向(S)前后有第一區(qū)(1)和第二區(qū)(2)，其中第一區(qū)(1)蜂窩體(6)每單位體積的熱容量比第二區(qū)(2)的小，其特征為第二區(qū)(2)的熱容量至少每升和每開爾文有800焦耳[J/LK]，優(yōu)選地至少有900。
2．按照權(quán)利要求1所述的催化轉(zhuǎn)換器，其中，蜂窩體(6)由至少局部具有某種結(jié)構(gòu)的金屬薄板層(4、5)卷繞、疊層或纏繞而成，金屬薄板層構(gòu)成通道(3)的壁，其特征為金屬薄板層(4、5)在第一區(qū)(1)內(nèi)平均無涂層的厚度小于0.06mm，優(yōu)選地小于0.04mm，以及在第二區(qū)內(nèi)平均無涂層的厚度大于0.06mm，優(yōu)選地大于0.08mm，尤其有0.11mm厚。
3．按照權(quán)利要求1或2所述的催化轉(zhuǎn)換器，其特征為帶涂層的壁(3)厚度在第一區(qū)(1)內(nèi)小于0.08mm，以及在第二區(qū)(2)內(nèi)大于0.1mm，優(yōu)選地大于0.12mm。
4．按照權(quán)利要求1、2或3所述的催化轉(zhuǎn)換器，其特征為第一區(qū)(1)和第二區(qū)(2)由兩個(gè)分開的蜂窩體構(gòu)成。
5．按照權(quán)利要求1、2或3所述的催化轉(zhuǎn)換器，其特征為第一區(qū)(1)和第二區(qū)(2)設(shè)計(jì)在一個(gè)整體式的蜂窩體(6)內(nèi)。
6．按照權(quán)利要求3所述的催化轉(zhuǎn)換器，其特征為第一區(qū)(1)和第二區(qū)(2)設(shè)計(jì)為有不同厚度的涂層。
7．按照前列諸權(quán)利要求之一所述的催化轉(zhuǎn)換器，其特征為第二區(qū)(2)的軸向長度(b)至少是第一區(qū)(1)軸向長度(a)的兩倍。
8．按照前列諸權(quán)利要求之一所述的催化轉(zhuǎn)換器，其特征為第一區(qū)(1)的軸向長度(a)為10至60mm，優(yōu)選地為20至50mm。
9．按照前列諸權(quán)利要求之一所述的催化轉(zhuǎn)換器，其特征為它安裝在尤其汽車柴油機(jī)的排氣裝置內(nèi)。
10．按照權(quán)利要求1至9之一所述的催化轉(zhuǎn)換器，其特征為它安裝在尤其汽車的采用汽油直接噴射的稀混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣裝置內(nèi)。
11．按照前列諸權(quán)利要求之一所述的催化轉(zhuǎn)換器，其特征為在第一區(qū)(1)和第二區(qū)(2)內(nèi)每單位橫截面積的通道數(shù)大體相同，尤其大于360 cpsi(cell per squareinch)。
12．按照前列諸權(quán)利要求之一所述的催化轉(zhuǎn)換器，其特征為在第一區(qū)(1)和第二區(qū)(2)內(nèi)每單位體積的表面積基本相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種凈化內(nèi)燃機(jī)尤其柴油機(jī)或稀混合氣發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣的催化轉(zhuǎn)換器,包括至少一個(gè)有催化活性物質(zhì)涂層的蜂窩體(6),它有通過壁(4、5)互相分開可流過廢氣的通道(3),其中,轉(zhuǎn)換器沿流動(dòng)方向(S)前后有第一區(qū)(1)和第二區(qū)(2),其中第一區(qū)(1)蜂窩體(6)每單位體積的熱容量比第二區(qū)(2)的小,其特征在于,第二區(qū)(2)的熱容量至少有每升和每開爾文800焦耳[J/LK],優(yōu)選地至少有900。優(yōu)選地,金屬薄板層(4、5)在第一區(qū)(1)內(nèi)平均無涂層的厚度小于0.06mm,優(yōu)選地小于0.04mm,以及在第二區(qū)內(nèi)平均無涂層的厚度大于0.06mm,優(yōu)選地大于0.08mm,尤其有0.11mm厚。以此方式。第一區(qū)(1)當(dāng)排氣溫度高時(shí)可迅速達(dá)到工作溫度,而在此期間第二區(qū)(2)可以蓄熱用于排氣溫度低的工作狀態(tài)。
文檔編號(hào)F01N3/28GK1299438SQ99805737
公開日2001年6月13日 申請(qǐng)日期1999年5月3日 優(yōu)先權(quán)日1998年5月12日
發(fā)明者羅爾夫·布呂克, 約爾格·羅曼·柯涅茨尼 申請(qǐng)人:發(fā)射技術(shù)有限公司