SE527023C2 - Avgasrenare för förbränningsmotorer med förkatalysator, huvudkatalysator samt en förbiledningskanal - Google Patents

Description

s27 923 huvudkatalysator, dels en förkatalysator. Förkatalysatorn är placerad mellan motorn och huvudkatalysatorn och är i regel relativt liten och tät, i jämförelse med huvudkata- lysatorn, för att en snabb uppvärmning av densamma skall ske. En förkatalysator tillhandahåller således en god avgasrening redan kort tid efter en kallstart av en motor.

En nackdel är dock att förkatalysatorn bör vara placerad så nära motorn som möjligt, för att säkerställa god rening, vilket kan ge onödiga konstruktionsbegränsningar vad gäller motorutrymme, etc.

En besvärande nackdel, som också är en följd av inför- andet av en liten, tät förkatalysator i avgassystemet, är att densamma bygger upp stort mottryck uppströms densamma, närmare bestämt till följd av att motorn bildar stora mäng- der avgaser med hög flödeshastighet vid högt effektuttag av tdensamma. Huvudkatalysatorn är dimensionerad att rena avga- serna under dylika förhållanden, men pà grund av förkataly- satorns beskaffenhet och placering, bromsas avgaserna och trycket uppströms förkatalysatorn ökar således. Vid lång- varigt högt effektuttag är risken att förkatalysatorn för- därvas överhängande, dvs. att förkatalysatorn överladdas och ”stressas” med följden att densamma förbrukas i förtid och/eller smälter. Det är även en nackdel att förkataly- satorn och huvudkatalysatorn, till följd av sina uppbyggna- der, vanligtvis är placerade relativt långt från varandra utmed avgassystemet. Avgaserna kyls ned vid kontakten med avgasröret mellan katalysatorerna, varvid huvudkatalysatorn riskerar att inte uppnå erforderlig temperatur tillräckligt snabbt. Avgasröret mellan katalysatorerna har ofta en betydligt mindre tvärsnittsarea än katalysatorerna, vilket påverkar flödet och skapar ytterligare mottryck i avgas- systemet.

Uppfinningens syften och särdrag Föreliggande uppfinning tar sikte på att undanröja ovannämnda nackdelar med tidigare kända avgasrenare, och skapa en förbättrad avgasrenare. Ett primärt syfte med upp- 527 023 3 finningen är därför att skapa en avgasrenare, som gör det möjligt att rena avgaserna med hjälp av, dels en förkata- lysator vid kallstarter och små avgasflöden, dels en huvud- katalysator vid stora avgasflöden. Ett andra syfte med upp- finningen är att åstadkomma en avgasrenare, vilkens förka- talysator inte överladdas vid stora avgasflöden. Det är även ett syfte med uppfinningen att skapa en avgasrenare, som möjliggör snabb uppvärmning av huvudkatalysatorn. Dess- utom är det ett syfte med uppfinningen att skapa en avgas- renare, vilkens förkatalysator värms upp snabbt vid start, samt kyls ned under drift för att motverka överhettning av densamma. Ytterligare ett syfte med uppfinningen är att skapa en avgasrenare, som även tillhandahåller en ljuddämp- ande effekt.

Enligt uppfinningen nås åtminstone det primära syftet medelst den inledningsvis definierade avgasrenaren, vilken är kännetecknad av att i området av förkatalysatorn är anordnad en förbiledningskanal, vilken inbegriper en första öppning, som mynnar uppströms förkatalysatorn och en andra öppning, som mynnar nedströms förkatalysatorn och uppströms huvudkatalysatorn, för att åtminstone en del av avgaserna skall kunna passera förbi förkatalysatorn utan att passera igenom densamma. Avgasrenaren är i huvudsak anordnad på detta sätt, för att avgaserna vid stora avgasflöden skall kunna passera genom huvudkatalysatorn utan att först ha passerat genom förkatalysatorn. Företrädesvis är avgasren- aren anordnad på ett sådant sätt att förkatalysatorn är inhyst i ett hus, som uppvisar en större tvärsnittsarea än förkatalysatorn, varvid förbiledningskanalen utgörs av det företrädesvis ringformiga utrymme, som bildas mellan husets insida och förkatalysatorns utsida.

Företrädesvis har nämnda hus en inloppsstuts, som smal- nar av i riktning nedströms, betraktat i avgasernas flödes- riktning, samtidigt som förkatalysatorn uppvisar en krage, vilken skjuter ut riktning mot inloppsstutsen och vilken smalnar av i riktning uppströms. Fördelen med denna kon- “ss 527 023 4 struktion är att avgaserna vid små flöden, exempelvis vid start, koncentreras av inloppsstutsen och fångas in av kra- gen, vilket medför att avgaserna endast vid stora flöden tvingas att i större mängd passera genom förbiledningskana- len. Tack vare förbiledningskanalen minskar pâfrestningen på förkatalysatorn vid stora avgasflöden, vilket ökar livs- längden hos densamma.

Fördelaktiga utföranden av den uppfinningsenliga avgas- renaren framgår vidare av de osjälvständiga kraven 2-8, samt av den efterföljande, detaljerade beskrivningen av föredragna utföranden.

I en andra aspekt hänför sig uppfinningen även till en tillsats för en avgasrenare. Särdragen hos denna tillsats är angivna i det självständiga patentkravet 9.

I en tredje aspekt hänför sig uppfinningen även till ett fordon. Särdragen hos detta fordon framgår av det självständiga patentkravet 10.

Kort beskrivning av bifogade ritningar På ritningarna är: Fig. 1 en schematisk längdsektion av en uppfinningsenlig avgasrenare, Fig. 2 en schematisk tvärsektion A-A i figur 1, Fig. 3 en schematisk längdsektion av en avgasrenare enligt ett alternativt utförande, och Fig. 4 en schematisk längdsektion av en avgasrenare enligt tidigare känd teknik.

Detaljerad beskrivning av ett föredraget utförande I figur l visas en avgasrenare, generellt betecknad 1, vilken innefattar en huvudkatalysator 2 och en förkataly- sator 3, vilken är fjärmad från nämnda huvudkatalysator 2 i riktning uppströms, betraktat i avgasernas flödesriktning.

Enligt ett föredraget utförande inbegriper avgasrenaren 1 527 023 5 ett hus 4, vilket inhyser nämnda förkatalysator 3 och huvudkatalysator 2, och med vilket är förbundet en inlopps- stuts 5 och en utloppsstuts 6. Inloppsstutsen 5 och ut- loppsstutsen 6 är anordnade att anslutas till två i ett avgassystem ingående avgasrör 7. Med andra ord skall avgas- renaren 1 anses utgöra en del av ett större avgassystem.

Avgassystemet är företrädesvis andordnat på ett fordon, exempelvis en bil, lastbil, motorcykel, etc., och sträcker sig från en förbränningsmotor (inte visad) till en fri avslutande ände (inte visad), genom vilken de renade avgas- erna kan släppas ut. Det skall även påpekas att avgasröret _ 7 kan vara sammankopplat med exempelvis en eller flera ljuddämpare och/eller andra komponenter (inte visade).

Vardera katalysator 2, 3 har i det på ritningarna visade utförandet en cylindrisk grundform, där förkataly- satorn 3 har en diameter på cirka 100 mm och en längd på cirka 100 mm. Förkatalysatorns 3 storlek kan dock variera mycket beroende på storleken av motorn och resterande delar av avgassystemet. Det ska nämnas att en förkatalysators 3 längd, såväl som diameter, företrädesvis bör vara inom intervallet 30-200 mm. Katalysatorernas 2, 3 verksamma ämne utgörs av ett substrat, med en katalytisk förmåga, som är inhyst i ett rörformigt hölje.

Nu hänvisas även till figur 2. Förkatalysatorn 3 upp- visar en mindre tvärsnittsarea än huset 4, varvid en ring- formig förbiledningskanal 8 bildas mellan förkatalysatorns 3 utsida och husets 4 insida. Vidare är förkatalysatorn 3 i I ett föredraget utförande radiellt fjärmad från huset 4 via ett antal stag 9, företrädesvis på ett sådant sätt att den- samma är koncentriskt anordnad med nämnda hus 4. Förbiled- ningskanalen 8 inbegriper en första öppning 10, som mynnar uppströms förkatalysatorn 3, betraktat i avgasernas flödes- riktning. Vidare inbegriper förbiledningskanalen 8 även en andra öppning ll, som mynnar nedströms förkatalysatorn 3 och uppströms huvudkatalysatorn 2. Huvudkatalysatorn 2, i Amotsats till förkatalysatorn 3, fyller hela husets 4 tvär- 527 023 6 snittsarea, på ett sådant sätt att avgaserna tvingas att passera genom huvudkatalysatorn 2. Detta medför att avga- serna alltid kommer att passera genom avgasrenaren l och renas, åtminstone partiellt, även om förkatalysatorn 3 skulle täppas igen eller på annat sätt bli obrukbar.

Vidare sträcker sig inloppsstutsen 5 företrädesvis cirka 30 mm in i huset 4, i första hand för att rikta avgasflödet mot förkatalysatorn 3. I ett ytterligare före- draget utförande minskar inloppsstutsens 5 tvärsnittsarea i riktning nedströms, för att förstärka centreringseffekten.

Därtill kan förkatalysatorn 3 förses med en krage 12, vil- ken sträcker sig i riktning uppströms mot inloppsstutsen, och vilkens tvärsnittsarea minskar i riktning uppströms, för att vid små flödesmängder erhålla en insamlande effekt och vid stora flödesmängder erhålla en spridande effekt.

Inloppsstutsens 5 minsta diameter bör överstiga l5 mm och kragens 12 minsta diameter bör överstiga 30 mm. Inlopps- stutsens 5 minsta diameter bör åtminstone vara mindre än kragens 12 minsta diameter, med andra ord ändar inlopps- stutsens 5 fria, bakre ände, företrädesvis radiellt innan- för nämnda krage 12, för att erhålla maximal insamlande effekt vid små flödesmängder. Det axiella avståndet mellan inloppsstutsen 5 och kragen 12 skall företrädesvis vara mindre än 90 mm och större än 0 mm.

Det faktum att förkatalysatorn 3 och huvudkatalysatorn 2 är inhysta i samma hus 4, medför att det axiella avstånd- et mellan dem kan minskas, från tidigare konventionella av- stånd på cirka 100-200 mm till cirka 10-20 mm. En ytterlig- het är att förkatalysatorn 3 och huvudkatalysatorn 2 ligger an mot varandra. Det minskade avståndet medför att den upp- finningsenliga avgasrenaren l kommer att kunna konstrueras så att densamma upptar mindre plats än avgasrenare enligt tidigare känd teknik.

Nu hänvisas till figur 3, vilken visar ett alternativt utförande av avgasrenaren l enligt uppfinningen. Till 527 023 7 skillnad från utförandet enligt figur 1, är förkatalysatorn 3 och huvudkatalysatorn 2 axiellt åtskilda på samma sätt som hos avgasrenare 1 enligt tidigare känd teknik (se figur 4). I övrigt är förkatalysatorn 3 inhyst i huset 4 och radiellt fjärmad från detsamma medelst ett antal stag 9.

Det i figur 3 visade utförandet lämpar sig i det fall då ett fordons (inte visat) övriga konstruktion inte medger att avgasrenarens 1 generella uppbyggnad ändras, utan för- katalysatorn 3 och huvudkatalysatorn 2 måste vara åtskilda för att kunna inhysas i exempelvis ett motorutrymme (inte visat).

Nu hänvisas återigen till figurerna 1 och 2. I den schematiska illustrationen av det föredragna utförandet är tvärsnittsareorna för förbiledningskanalen 8 och förkataly- satorn 3 ungefär lika stora. Emellertid skall det påpekas att deras inbördes storleksförhållande kan variera betyd- ligt, beroende på vilket flödesförhållande som önskas upp- nås genom förkatalysatorn 3 respektive förbiledningskanalen 8_ 3 Uppfinningens funktion och fördelar Antag att utgångspunkten är att ett fordon, vars motor inte använts under en betydande tidsperiod, dvs. att motorn och resterande delar av avgassystemet och motorutrymme är kalla. Antag vidare att motorn startas på konventionellt sätt. Omedelbart efter start flödar en liten mängd varma avgaser från motorn genom avgasröret 7 och in i avgasren- aren 1 genom inloppsstutsen 5, vilken riktar avgasflödet mot en central punkt på förkatalysatorn 3. Kragen 12 på förkatalysatorn hjälper till att samla in avgaserna, och motverkar att avgaserna flödar ut i förbiledningskanalen 8.

Pâ detta sätt erhålls en snabb uppvärmning av förkatalys- atorn 3. En fördel med att inloppsstutsen 5 smalnar av i riktning nedströms är att de varma avgaserna koncentreras, vilket medför att den centrala delen av förkatalysatorn 3 värms upp snabbt. 527 023 s Förbiledningskanalen 8 är även en fördel i ett initialt skede, trots att densamma i detta läge inte används för avgaspassage, eftersom utrymmet mellan förkatalysatorn 3 och huset 4 isolerar förkatalysatorn 3 från att kylas ned av den omgivande luften utanför huset 4. Till följd av att förkatalysatorn 3 värms upp fortare än traditionella för- katalysatorer, kan densamma placeras på ett avstånd från motorn som är större än konventionella avstånd mellan en motor och en förkatalysator. Detta medför följaktligen större flexibilitet vad gäller placeringen av avgasrenaren l. När avgaserna passerat genom och renats av förkataly- satorn 3 flödar de vidare mot huvudkatalysatorn 2 för ytterligare rening. Enligt det föredragna utförandet, vil- ket visas i figur 1, medför det korta avståndet mellan för- katalysatorn 3 och huvudkatalysatorn 2 att de varma avga- serna som har passerat genom förkatalysatorn 3 fortfarande är samlade och centrerade, vilket även ger en snabb upp- värmning av huvudkatalysatorn 2.

Antag nu att högre effekt tas ut av motorn, vilket med- för att större avgasmängder flödar från densamma och mot avgasrenaren 1. Då förkatalysatorn 3 är relativt tät och liten kommer ett mottryck att uppstå uppströms densamma, men tack vare förbiledningskanalen 8 kommer nu avgaserna att följa ”minsta motståndets lag” och ”välja” att passera genom förbiledningskanalen 8 och vidare mot huvudkataly- satorn 2, vilken i motsats till förkatalysatorn 3 är dimen- sionerad att klara av stora flödesmängder. När ett mottryck byggts upp innanför kragen 12, hjälper dennas koniska form, såsom visas i figurerna 1 och 3, till att underlätta för avgaserna att flöda in i förbiledningskanalen 8.

Tidigare har förkatalysatorn 3 varit en flaskhals i avgassystem vid stora effektuttag och hela avgasflödet har forcerats genom densamma. Detta har lett till att förkata- lysatorn 3 har gjorts större än vad som krävts för att rena avgaserna vid kallstart och vid små flöden. Förbilednings- kanalen 8 medför således att förkatalysatorn 3 kan göras 527 023 9 mindre och tätare än vad som tidigare har låtit sig göras, vilket medför att densamma kommer att uppnå tillräckligt hög arbetstemperatur fortare än tidigare. u Då avgaserna passerar genom förbiledningskanalen 8 upp- står en avkylande effekt på förkatalysatorn 3, till följd av att avgaserna i förbiledningskanalen 8 har en lägre tem- peratur än förkatalysatorn 3. Tack vare denna avkylning förlängs förkatalysatorns 3 livslängd betydligt trots höga effektuttag ur motorn. Förbiledningskanalen 8 och huset 4, fungerar även som en värmesköld mellan förkatalysatorn 3 och kringliggande utrustning i motorutrymmet, vilket medför att avgasrenaren l kräver mindre mängd konventionell värme- isolering för att inte skada den kringliggande utrustning- en.

Det har även visats att den uppfinningsenliga avgasren- aren 1 har en ljuddämpande effekt, bland annat till följd av diverse areaförändringar och vindlingar i avgasrenaren 1. Till följd av detta kan en eventuellt förekommande ljud- dämpares storlek minskas, vilket medför att det sammanlagda mottrycket i avgassystemet minskas ytterligare.

Tänkbara modifikationer av uppfinningen Uppfinningen är ej begränsad blott till de ovan besk- rivna och på ritningarna visade utförandena. Avgasrenaren såväl som tillsatsen kan sålunda modifieras på allehanda sätt inom ramen för efterföljande patentkrav.

Speciellt skall nämnas att de olika katalysatorelemen- ten inte nödvändigtvis måste vara cylinderformade såsom visas på ritningarna, utan desamma kan uppvisa vilken annan lämplig form som förmår fullgöra uppgiften att rena avga- serna från skadliga ämnen. Det skall påpekas att begreppet ”förbiledningskanal” skall tolkas i sin vidaste mening, och således anses inbegripa varje form av komponent som förmår fullgöra uppgiften att leda avgaserna förbi förkataly- satorn. 527 025 10 Det skall även påpekas att den uppfinningsenliga förbi- ledningskanalen inte enbart skall förknippas med katalys- atorer av något specifikt slag, utan det skall inses att förbiledningskanalen fungerar tillsammans med alla tänkbara katalysatorer. Det vill säga att inte bara katalysatorer som är monterade på ett rörligt fordon, utan även katalysa- torer, som är sammankopplade med stillastående motorer, skall anses inbegripas i uppfinningen. Nämnas bör att flö- desförhàllandet mellan förkatalysatorn och förbiledningska- nalen, förutom till följd av ändrade geometriparametrar, även kan regleras av något rörligt element, såsom en fjä- derbelastad lucka som öppnas när mottrycket överskrider ett visst gränsvärde, eller en styrbar ventil, lämpligen place- rad vid förbiledningskanalens främre öppning.

Förkatalysatorn och huvudkatalysatorn behöver inte vara monterade i samma hus, såsom visas i figurerna, utan de kan utgöra enskilda komponenter, som var och en utgör en del av ett avgassystem och mellan vilka finns ett avgasrör.

En förbiledningskanal till en konventionell avgasrenare enligt tidigare känd teknik kan förverkligas med hjälp av en tillsats. En dylik tillsats skall innefatta en första öppning, vilken skall vara anordnad att samverka med ett hål, som är anordnat uppströms förkatalysatorn. Tillsatsen skall dessutom innefatta en andra öppning, vilken skall vara anordnad att samverka med ett hål, som är anordnat nedströms förkatalysatorn och uppströms huvudkatalysatorn.

Tillsatsen kan utgöras av en genuin förbiledningskanal, i form av exempelvis ett smalt rör, med öppningar i motstå- ende ändar eller av ett rör, som har en diameter som är större än förkatalysatorns diameter och som i samverkan med nämnda förkatalysator bildar förbiledningskanalen. Avgö- rande för tillsatsen är att en förbiledningskanal bildas, genom vilken avgaserna kan passera utan att behöva passera genom förkatalysatorn.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 527 023 11 Patentkrav

1. Avgasrenare för förbränningsmotorer med varierande avgasmängd, vilken är avsedd att utgöra en del av ett med en motor samverkande avgassystem och vilken innefattar en huvudkatalysator (2) och en förkatalysator (3), som är pla- cerad uppströms huvudkatalysatorn (2), betraktat i den riktning som avgaserna är ämnade att passera avgasrenaren, varvid i området av förkatalysatorn (3) är anordnad en för- biledningskanal (8), vilken inbegriper en första öppning (10), som mynnar uppströms förkatalysatorn (3) och en andra öppning (11), som mynnar nedströms förkatalysatorn (3) och uppströms huvudkatalysatorn (2), för att åtminstone en del av avgaserna skall kunna passera förbi förkatalysatorn (3) utan att passera igenom densamma, kännetecknad av, att i riktning uppströms från förkatalysatorn (3) skjuter ut en krage (12), vilken smalnar av i riktning uppströms.

2. Avgasrenare enligt krav 1, kännetecknad av, att för- katalysatorn (3) är inhyst i ett hus (4), vilkets tvär- snittsarea är större än nämnda förkatalysators (3) tvär- snittsarea, varvid ett mellan förkatalysatorn (3) och huset (4) bildat utrymme, utgör nämnda förbiledningskanal (8).

3. Avgasrenare enligt krav 2, kânnetecknad av, att för- katalysatorn (3) är radiellt fjärmad från nämnda hus (4) medelst ett antal stag (9). '

4. Avgasrenare enligt krav 2 eller 3, kännetecknad av, att förkatalysatorn (3) är koncentriskt anordnad relativt huset <4). i

5. Avgasrenare enligt något av kraven 1-4, kännetecknad av, att densamma inbegriper en inloppsstuts (5), vilken smalnar av i riktning nedströms.

6. Avgasrenare enligt krav 5, kännetecknad av, att nämnda inloppsstuts (5) i riktning nedströms ändar radiellt innan- för nämnda krage (12). 10 15 20 25 30 35 527 023 12

7. Avgasrenare enligt något av kraven 2-6, kännetecknad av, att förkatalysatorn (3) och huvudkatalysatorn (2) är inhysta i nämnda hus (4).

8. Avgasrenare enligt något av de föregående kraven, kännetecknad av, att det axiella avståndet mellan förkata- lysatorn (3) och huvudkatalysatorn (2) är mindre än 20 mil- limeter.

9. Tillsats för en avgasrenare (1), som innefattar en huvudkatalysator (2) och en förkatalysator (3), vilken är placerad uppströms huvudkatalysatorn (2), betraktat i den riktning som avgaserna är ämnade att flöda, kännetecknad av, att densamma inbegriper en första öppning (10), som är anslutningsbar uppströms förkatalysatorn (3), och en andra öppning (ll), som är anslutningsbar nedströms förkataly- satorn (3) och uppströms huvudkatalysatorn (2), varvid tillsatsen bildar en förbiledningskanal (8), och varvid i riktning uppströms från förkatalysatorn (3) skjuter ut en krage (12), vilken smalnar av i riktning uppströms.

10. Fordon innefattande en motor och ett från denna sig sträckande avgassystem, vilket innefattar en avgasrenare (1), som inbegriper en huvudkatalysator (2) och en förkata- lysator (3), vilken är placerad uppströms huvudkatalysatorn (2), betraktat i avgasernas flödesriktning, varvid avgasre- naren (1) innefattar en förbiledningskanal (8), vilken inbegriper en första öppning (10), som mynnar uppströms förkatalysatorn (3) och en andra öppning (ll), som mynnar nedströms förkatalysatorn (3) och uppströms huvudkatalysa- torn (2), för att avgaserna skall kunna passera förbi för- katalysatorn (3) utan att passera igenom densamma, känne- tecknad av, att i riktning uppströms från förkatalysatorn (3) skjuter ut en krage (12), vilken smalnar av i riktning uppströms.