CN1034360C

CN1034360C - 用于内燃机的带有催化净化器的消声器

Info

Publication number: CN1034360C
Application number: CN92109418A
Authority: CN
Inventors: 阿尔宾·加沃尼
Original assignee: Gavoni B G M Silenziatori Di Albino Gavoni & C Ss
Current assignee: Gavoni B G M Silenziatori Di Albino Gavoni & C Ss
Priority date: 1991-09-04
Filing date: 1992-08-19
Publication date: 1997-03-26
Anticipated expiration: 2007-08-19
Also published as: DE69205771D1; KR930006298A; ATE129778T1; DE69205771T2; EP0530493B1; EP0530493A2; DK0530493T3; ES2079110T3; RU2069771C1; ITMI912347A0; EP0530493A3; US5378435A; ITMI912347A1; JPH0749026A; JP3231852B2; IT1251547B; GR3018309T3; CN1070985A; TW208063B

Abstract

带有催化净化器的消声器包括一外壳12，外壳内有一管形件30，管形件中有一催化净化器。发动机废气经文杜里喷嘴进入消声器10，流经一组由受过催化物质处理的多孔陶瓷制成的膜片(50，70，80)，然后净化后的废气从消声器的废气出口排出。膜片可为帽形，其上带有通孔；或者为具有多孔壁的拱形体，它们可具有带两个侧向凸缘的板，两凸缘构成相对的两空腔。膜片可以不同的方式相互组合起来。以形成一连串具有最适配于每种发动机的形状和排量的腔室(V₀、V₁、V₂……)。

Description

用于内燃机的带有催化净化器的消声器

本发明涉及一种带有催化净化器的消声器，该净化器能将任何类型的内燃机排出的废气净化成无害的气体。

许多年以来，由内燃机排出的废气对大气环境的有害作用已经得到证实。随着运行的机动车辆数量的迅速增加，越来越多的工业化国家不得不制订严格的措施，以最大限度地降低一氧化碳、未燃的碳氢化合物和氧化氮的排放。因此，已经发展了催化剂，当它分布在一个与废气流相接触的大表面上时，它适宜将这些污染性很大的废气净化成基本无害的气体，例如二氧化碳、水蒸气和氮。根据这种知识，已经开发和上市了各种各样的催化净化器，它被安装在常规消声器的上游。

然而，这些净化器存在各种问题，例如，它们的化学效力的持续时间与它们结构的机械寿命有关，并且与它们自身结构的复杂性有关，这样就导致高成本和安装困难。

而在另一方面，将来作为一条规定，出厂的机动车都将必须带有废气净化器，而该净化器的高成本既会妨碍它装在新车辆上，也不利于对大量现有车辆的改装。

在本技术领域中，已经知道了催化净化器—消声器。

瑞士专利CH 334071公开了一系列接着一短管部分设置的帽形金属膜片。每个膜片仅具有一中心孔，其目的是削弱排气噪声。此专利仅仅涉及消音器，丝毫没有提出利用多孔陶瓷膜片来净化排气。

US3,649,213公开了一种催化净化器—消声器，它具有一种V形床结构，提供理想的气流特性，并减小高温条件下的差压膨胀问题。一种最佳的装置具有一个椭圆形外腔室，一个催化剂池部分，以及用于内部催化剂保持网的曲线形侧壁，以避免那种发生在平板元件上的堵塞现象。

一种低背压的消声器和催化净化器的组合装置，公开于美国专利US4,094,645号中。此装置具有一个位于废气进口路径上的文杜里喷嘴，以补充二次空气。由于通过为文杜里喷嘴设置一个非常长的出口锥而使引到文杜里喷嘴下游的背压保持为低压，文杜里喷嘴的效能相当高，该出口锥逆转流动方向并防止壁分离和扰动。在文杜里喷嘴的上游，声音被衰减，在上游处产生的背压对降低文杜里喷嘴效力具有最小的效果。

在EP-A-0263893中，公开了一种包容催化剂和催化净化器的外壳，其中催化剂支承在金属箔上，而催化净化器包含这种催化剂。这种催化净化器特别适用于内燃机(火花点燃式或压燃式)和自动车辆。

在EP-A-0387422中，公开了内燃机废气的催化或净化装置，它具有两个废气处理主体和一个位于其间的保护环。

然而，在这些先有技术装置中，都没有公开本发明的净化器—消声器的具体设计方案。

本发明的目的是提供一种包括有一个用于净化废气的催化净化器的消声器，该净化器的制造成本低，寿命长。其中，催化净化器能和消声器一起被更换，而不存在任何安装问题，从而同时实现两个功能：即消声和废气净化。

根据本发明的消声器，它包括一个外壳，在其废气进口端设有基本上为半球形的头部，该头部的上游端固定有一个锥形管接头，该管接头连接到一台内燃烧机的废气歧管，该消声器还包括一个安装在一个位于外壳中的管形件内的催化净化器，所述管形件的位于废气流上游的端部是敞开的，所述管接头伸到此敞开端内并穿过一个由所述半球形头部构成的腔室，所述管接头形成一个终止于管形件的敞开端内部的文杜里喷嘴，而管形件的另一相对端由端壁封闭，端壁连接一朝着消声器出口收缩的排气管，其特征是：在管形件位于文杜里喷嘴端头和端壁之间的区域中，安插了多个积木式膜片，元件这些膜片元件由经过催化物质处理的多孔陶瓷材料制成，用于净化废气中的污染物，这些膜片元件具有与管形件的形状严密对应的形状。

建议所述膜片元件带有适当的孔，作为废气的通道；而在两两膜片之间依次形成废气的各个扩散腔室，使得从端部扩散器排出的废气，不仅去除了污染物，而且排放的温度和压力接近于周围环境的温度和压力，所以这个组件还作为一种有效的消声器，因此，这个组件很容易作为一个单元取代任何类型车辆的常规消声器，使安装成本最小。

将多孔陶瓷膜片的形状设计成可借助于适配接头将其一个接一个地安插在所述管形件内，彼此间保持在实验室中为现行的各种车型所预定的最佳间隔和距离。本发明主要是用于对现行各种汽车的改装。

换句话说，可在短时间内制造出便于为现有的大量车辆配套的各种催化消声器，而无需投入多的资金和占用过大的空间。由这种催化消声器提供的有利因素是，能够保持贮存有限数量的预定尺寸的内部和外部元件，并根据实验所给的说明书将它们组装起来，从而按照车辆发动机的容积、功率和类型，提供出最适宜的消声器。

正如从下面的说明中将会了解的那样，本发明既不着眼于用来制造本发明的过滤元件的陶瓷材料的具体的化学性质和物理性能，也不着眼于选取具体的催化材料或材料的类别。事实上，在本领域中，陶瓷材料和用于转化CO、HC和NOx的催化剂都是已知的。

仅以举例而言，典型的有用的陶瓷材料可由无机耐熔氧化物提供，如：氧化铝、γ型氧化铝，氧化铝—氧化锆、氧化锆、二氧化硅、堇青石、莫来石、碳化物(如碳化硅)、氧化物等。适用的催化材料包括铂、钯、银、氧化物——如氧化铁、氧化钒、氧化铬，当然还包括化学周期表中I、V、VI和VIII族的其它金属，这对于本领域的普通技术人员是已知的。还知道的一个事实是，这些催化材料既可单独使用，也可两种或多种组合使用。另外，用催化剂处理多孔陶瓷材料在本领域中也是已知的，这并不属于本发明的范围。

下面结合附图对本发明作详细说明，这些附图是用于示出本发明构思的，并不意欲限制本发明。

在附图中；

图1为轴向剖面图，示意地示出了本发明的组合起来的消声器与催化净化器的壳体，其上设有一个发动机废气进口喷嘴和一个后部废气扩散器，但没有内膜片；

图2是表示消声器中陶瓷元件的详细结构的示意图；

图3是一种陶瓷膜片的剖面图；

图4至图6是多孔的膜片壁的后端视图；

图7具体地示出了膜片的一个扩散孔的横截面；

图8是多孔的陶瓷膜片的另一个实施例的剖面图；

图9是表示图8中陶瓷元件的详细结构的示意图；

图10是多孔的陶瓷膜片的又一个实施例的剖面图；

图11是图10中膜片沿方向XI看去的前视图。

图1示出了消声器的主体，由标号10总体表示，它包括一个外壳12，外壳的一端带有一个基本上半球形的头部14，其中设有一个由套筒16部分地围绕的锥形管接头15，管接头15与发动机的排气歧管接配。在外壳12中，有一个管形件30，其内适当地安置着催化元件(对此下面将要说明)，该管形件30的一端32朝着由半球形头部14构成的腔室34敞开，而其另一端由壁36封闭，并与一扩散排气管38相连，排气管38位于一拱形部件40中，用作为气体排入大气的扩散器，而且排气管基本上与外壳12一起终止。

在管接头15上从进口断面17到另一断面18的一段长度为M的区段，具有13％的锥度，断面17的直径为A，断面18与半球形腔室34的进口相吻合，且其直径B由下式决定：

B＝2(A/2－M×0.13) (1)

伸入腔室34内的管接头15逐渐变尖，形成扩散导管或文杜里喷嘴20，其端部直径C由下式决定：

C＝B/3.5 (2)它伸入腔室34中的长度N等于：

N = \frac{B - C}{2 tg 10^{o}} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (3)

文杜里喷嘴20至少带有4个横孔19，这些横孔加工在与半球形头部14相连的连接区附近，一部分气体从这些横孔排入催化净化器，而其余的气体从端孔排出，导致内部减压。

横孔19的直径K由下式决定：

K = \sqrt{\frac{(B^{2} - C^{2})}{4}} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (4)

前室的长度P——从半球形腔室34到第一膜片的壁的距离，由下式决定：

P = \frac{HP \times 400 \times K}{B^{2} \times π / 4} \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot \cdot (5)

其中HP是发动机的马力。

对于4缸发动机来说，K＝2.6。

对于8缸发动机来说，K＝6.8。

对于12缸发动机来说，K＝12.5。

对于柴油机来说，上述的K值必须再相应地乘上系数4.25。端部扩散器38朝着管30内部的直径D由下式决定：

D = \sqrt{\frac{S_{F}}{0.785}}

其中，S_F表示面对形成在管30中的最后腔室的终级膜片上的孔的整个面积，下面对此将做说明。

从文杜里喷嘴20的端部开始，在管30中设置了一组多孔的陶瓷积木式膜片50，如图2所示。

膜片的平均距离d非常近似地等于：

d＝(0.6－2)A (6)这覆盖了从小活塞排量发动机到大排量发动机。然而，这个距离d是可以变化的，可在发动机运转期间，在实验室中通过检查不同腔室中的压力而对它加以确定。

根据图3，帽形的膜片50具有一个外圆柱体，其直径与金属管30的内径严格匹配，膜片50还具有一基本平的外表面51和一个凹入的内表面52，该内表面52最好是抛物面，以使得来自文杜里喷嘴的气流总是撞击到具有无尖角的圆滑表面的腔室，从而防止涡流的生成和不希望有的背压现象，以确保适宜的发动机性能。

每个横断壁53在其深度方向上具有一系列各种类型、形状和尺寸的通孔，如图4、5和6所示，这些孔具有圆截面54，或为钮孔56，或为多边形孔58，或为诸如此类组合而成的形状。在纵向上，这些孔具有截锥形走向，朝着气体进口的底部较小，以便沿着气流方向构成多个扩散导管(如图7所示)，这对于废气依次从一个腔室扩散到另一个腔室是有利的。扩散角α在8°和15°之间。

每个膜片上通孔面积对膜片总面积的比值是不同的，且按一定要求确定。在朝着净化器出口38(在此出口，废气扩散程度较大)方向，膜片的上述比值逐渐加大，即膜片依次具有更大的空隙空间。一般要求所述通孔的总面积为文杜里喷嘴20的孔面积的1.5-4倍，最好为3倍。

每个膜片的长度H也是不同的，以便根据发动机产生的废气量，适当地确定各个腔室的容积，而发动机的废气量取决于发动机的排量和功率。

图2以举例方式示出了膜片50的可能采取的不同结构。从左至右，膜片50a设置成使其凹面部分朝向文杜里喷嘴20，以形成腔室V₀；随后有一对同样类型的膜片50b和50c，它们相互对置，但它们各自的长度不必等于膜片50a的长度，由此构成腔室V₁。在此实施例中，此对膜片50b、50c由一个带有凹形内表面的陶瓷环59与膜片50a隔开。另外，膜片50d、50e、50f……都指向同一方向，依次构成各个腔室V₂、V₃、V₄……直至位于催化消声器出口紧前方的腔室V_n。

具有不同穿孔表面和不同长度H的膜片50用已知的催化物质处理，以盖住多孔结构的表面以及通孔54、56和58的表面。

与所述膜片处理过的表面和多孔主体相接触的废气受到净化，使之符合前述要求，然后这些不含不希望有的有害污染物的废气以低温无声的方式排出。

膜片的周边壁在围绕它的金属管30的内壁上形成一绝热体。金属管30本身与外壳12隔开一间隙60，间隙60中可用已知方式填充玻璃纤维或石棉。

图8示出了膜片的另一种可选择的实施例，此实例是要减少装在金属管30中的催化元件的个数，以便缩短装配该消声器的时间。膜片70可由一个拱形体72与一个盘或板74组合而成，该盘74带有与图4至6所示的膜片50上的孔(即孔54、56或58)类型相同的孔。分别由冲压而成并受过催化物质处理的两个元件72和74，带有适当的接头，以便相互能紧固地连在一起(如图8所示)。此外，它们还与其它适当的装置固连。拱形体72带有多个任何形式的孔76、76′、76″……，由此可使废气流出腔室V₀(见图9)，并通过板74流入腔室V₁(由拱形体72构成)，以与拱形体的内壁73接触，对有害的化学物质进行第一级净化。由腔室V₁出来的废气流入腔室V₂，然后进入下一个腔室V₃(由拱形体72′构成)，依次往下，再流入腔到V₄、V₅、V₆……，如图9所示。

图10示出了膜片10的另一种有益的变型，这种膜片以多个单元组合的方式使用。在此实施例中，多孔的陶瓷元件包括一个主体80，其外表面81最好是圆柱形的，内设横向膜片82。膜片82上固定两个凸缘84和86，构成两个空腔90和100，这两个空腔具有相对的开孔92和102。

确定膜片82的两个空腔90和100的邻接的底部，最好是凹入形的，并且连接到各自的凸缘上(如图10中虚线所示)，以防止出现尖的周边，这种尖周边常常会降低工作性能。空腔90和100由多个穿过两空腔之间的隔板的圆柱形或锥形孔85彼此连通，这些孔85可根据具体的需要和用途加工成任何形式、数目及尺寸，并且根据元件80的纵轴X-X进行设置。

元件80的凸缘84和86可具有不同的高度S和t，而且它们能提供大范围的适用性，可以只使用少数几个元件就能使各个腔室V₀、V₁、V₂……的容积具有极大的变化范围。另外，利用图10中标号80所指示的类型的元件，由彼此相对的元件所构成的腔室的底部总是连接着的，在任何部分都没有尖边。

尽管上面结合几种优选实施例对本发明进行了图示和说明，但本领域的普通技术人员将会意识到，在不超出本申请的权利要求书所确定的本发明的保护范围的条件下，可以对之进行各种形式的改变。

Claims

1.一种消声器，它包括一个外壳(12)，在其废气进口端设有基本上为半球形的头部(14)，该头部的上游端固定有一个锥形管接头(15)，该管接头连接到一台内燃烧机的废气歧管，该消声器还包括一个安装在一个位于外壳(12)中的管形件(30)内的催化净化器，所述管形件的位于废气流上游的端部是敞开的，所述管接头(15)伸到此敞开端内并穿过一个由所述半球形头部(14)构成的腔室(34)，所述管接头形成一个终止于管形件(30)的敞开端内部的文杜里喷嘴(20)，而管形件(30)的另一相对端由端壁(36)封闭，端壁(36)连接一朝着消声器出口收缩的排气管(38)，其特征是：在管形件(30)位于文杜里喷嘴(20)端头和端壁(36)之间的区域中，安插了多个积木式膜片元件(50，70，80)，这些膜片元件由经过催化物质处理的多孔陶瓷材料制成，用于净化废气中的污染物，这些膜片元件具有与管形件(30)的形状严密对应的形状。

2.根据权利要求1的消声器，其特征是所述由多孔陶瓷制成的积木式膜式元件是具有壁(53)的帽形膜片(50)，壁(53)的外表面(51)基本上是平面，而其内表面(52)是凹形的，所述壁(53)带有为防止有害的背压现象所需的任何形式、数量和面积的通孔(54，56和58)。

3.根据权利要求1的消声器，其特征是所述由多孔陶瓷制成的积木式膜片元件(70)是由拱形的膜片(72)构成的，其壁上带有多个按照发动机的类型，以各种方式设置的具有任何形式、数量和面积的孔(76，76′，76″…)，以防止有害的背压现象，单一的拱形体可连到一块带有朝着拱形体的内部空间发散的通孔(54，56或58)的板(74)上。

4.根据权利要求1的消声器，其特征是所述由多孔陶瓷制成的积木式膜片元件(80)由周边上带有两个侧向凸缘(84，86)的膜片(82)构成，两侧向凸缘(84，86)构成两个相对的空腔(90，100)，这两个空腔由多个沿轴向穿过所述膜片(82)的通孔(85)彼此连通。

5.根据权利要求2或3或4的消声器，其特征是所述壁(53，72，74，82)中的通孔(54，56，58，76，85)的形式和数量对于不同或同一个膜片元件来说可以是不同的，以便使所述通孔的总面积为所述文杜里喷嘴(20)的孔面积的1.5-4倍。

6.根据权利要求1的消声器，其特征是所述膜片元件(50，70，80)的长度可以改变，以使沿着所述净化器出口(38)的方向按积木方式依次形成的各个腔室(V₀、V₁、V₂…)的容积逐个增大。

7.根据权利要求2的消声器，其特征是所述位于管形件(30)中的帽形膜片(50)彼此相互接触，或相互之间可以有陶瓷环(59)。