專(zhuān)利名稱(chēng)：基于球弧蜂窩板的汽車(chē)尾氣催化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種汽車(chē)尾氣催化器，尤其涉及一種基于球弧蜂窩板的汽車(chē)尾氣催化器，主要解決汽油機(jī)和柴油機(jī)中的尾氣催化反應(yīng)系統(tǒng)中擴(kuò)展段和催化器主載體段的流速優(yōu)化問(wèn)題。
催化器系統(tǒng)由擴(kuò)展段，催化器載體段和收縮段所組成。為了使流過(guò)催化器的尾氣空間速度在合理的范圍內(nèi)，保證尾氣在催化劑表面上的接觸時(shí)間來(lái)進(jìn)行催化反應(yīng)，催化器載體段的橫截面積要遠(yuǎn)大于進(jìn)口面上的橫截面積。因此在催化器載體前端面與尾氣進(jìn)口面之間有一擴(kuò)展過(guò)渡段。但由于尾氣由進(jìn)口面進(jìn)入擴(kuò)展段的射流貫性效應(yīng)，使得流動(dòng)集中在軸心線附近的中心區(qū)域，試驗(yàn)和計(jì)算都表明，在擴(kuò)展段兩側(cè)形成很大的回流區(qū)，以致流過(guò)催化器的流速很不均勻。
有許多因素會(huì)影響流過(guò)催化器的流速分布。例如排氣管的彎扭引起的擴(kuò)展段進(jìn)口面流速分布的不均勻會(huì)使得催化器內(nèi)的流速分布更不均勻。這種擴(kuò)展段進(jìn)口面流速分布的不均勻在催化器系統(tǒng)布置在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口附近更加明顯，而為了迅速提高催化劑冷起動(dòng)其間的溫度，降低這其間的有害排放。把催化器系統(tǒng)布置在靠近發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口附近是一個(gè)很有效的辦法。但是發(fā)動(dòng)機(jī)出口附近的排氣管內(nèi)的流動(dòng)很復(fù)雜，流動(dòng)更不均勻，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)出口附近的可用空間非常有限，即使是在車(chē)底下安裝也是如此，對(duì)催化器的尺寸要求較高。
擴(kuò)展段的擴(kuò)展角越小，催化器內(nèi)的流速分布越均勻，但同時(shí)擴(kuò)展段的長(zhǎng)度也越長(zhǎng)，意味著占用的空間也越多，另外擴(kuò)展角的減小對(duì)流速分布改善的程度也很有限?，F(xiàn)有采用在擴(kuò)展段中間加一圓形擋板，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的流場(chǎng)所作數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)擋板后出現(xiàn)了回流區(qū)，大部分尾氣朝催化器載體的外側(cè)流過(guò)，流速分布更不均勻。為了消除擋板后的回流區(qū)，本發(fā)明人采用穿有多孔的擋板進(jìn)行數(shù)值模擬，與未加多孔板的情況做比較，流動(dòng)均勻性大幅提高，但懸在空中的多孔擋板的固定很麻煩，也難以承受尾氣的長(zhǎng)期沖擊。
為實(shí)現(xiàn)這樣的目的，本發(fā)明的技術(shù)方案中，設(shè)計(jì)的汽車(chē)尾氣催化器包括擴(kuò)展段體和催化器主載體段，在擴(kuò)展段進(jìn)口面上設(shè)置一個(gè)多孔球弧蜂窩板，多孔球弧蜂窩板的端面是一個(gè)具有開(kāi)孔的環(huán)形平面，通過(guò)焊接或法蘭與擴(kuò)展段的錐形外殼及尾氣管連接固定。球弧蜂窩板的厚度基本均勻，厚度與孔徑之比在1～10的范圍之內(nèi)，優(yōu)先選用2～5的范圍。球弧蜂窩板上密布壁厚基本相等的流道，流道所構(gòu)成的流通面積基本上等于催化器主載體段的橫截面積，流道方向與球弧表面垂直，其最大偏離軸心線的角度為擴(kuò)展段的擴(kuò)展角，也就是說(shuō)邊緣處的流道方向與擴(kuò)展段的擴(kuò)展面方向一致。這樣從流動(dòng)技術(shù)上基本保證從球弧蜂窩板出來(lái)的靠近擴(kuò)展外殼的尾氣與外殼面平行，尾氣在擴(kuò)展段中能均勻擴(kuò)展并基本均勻地進(jìn)入催化器載體。尾氣在擴(kuò)展段不形成渦流區(qū)，減小了流動(dòng)損失，達(dá)到尾氣均勻進(jìn)入催化器載體催化的目的。
根據(jù)以上球弧蜂窩板的流道方向與球弧面垂直和其方向與軸心線的最大夾角為外殼擴(kuò)展角的原則，多孔球弧蜂窩板的內(nèi)側(cè)直徑由公式d/Sinα確定，其中d為擴(kuò)展段前尾氣管直徑，α為擴(kuò)展段的擴(kuò)展角。本發(fā)明采用了球弧蜂窩板后，流動(dòng)均勻度達(dá)到了0.9以上。
本發(fā)明球弧蜂窩板上的流道壁面可涂上催化活性層，涂層優(yōu)先由一中間層構(gòu)成，如多孔氧化鋁(Al2O3)，其中作為催化物質(zhì)的是鉑(Pt)和/或銠(Rh)。這樣就可充分利用擴(kuò)展段體的空間部分。
本發(fā)明在球弧蜂窩板涂上催化活性層后，由于其厚度只有5mm左右，在冷起動(dòng)其間能更迅速地被尾氣加熱，催化活性層的溫度上升更快，可以降低冷起動(dòng)其間的有害排放量。
本發(fā)明的催化器主載體段由數(shù)個(gè)錐形蜂窩片組成，錐形蜂窩片在主載體段的圓柱形外殼內(nèi)離散排列，并通過(guò)擋圈固定，片與片之間的間隙為0.5mm～2mm，優(yōu)先選用1mm。錐形蜂窩片的錐角根據(jù)需要而定，但不宜小于45度。錐形蜂窩片有一寬度不超過(guò)5mm的邊，并在錐頂處有一圓弧過(guò)渡段。錐形蜂窩片厚度基本均勻，其值不超過(guò)5mm為宜，厚度與孔徑之比為5至10倍，錐形蜂窩片流道方向基本上與錐面和弧面垂直。
本發(fā)明的催化器主載體的錐形蜂窩片結(jié)構(gòu)，可保證蜂窩通道中的尾氣組分傳質(zhì)到活性涂層的傳質(zhì)速率比通道厚度與直徑之比大于10的結(jié)構(gòu)要高5倍以上。錐形片上流道孔的方向與錐形片垂直，錐形片的錐角表示為β，其流通面積為孔隙率乘以πr2/Sim(0.5β)，其中r為錐底圓的半徑，如錐角為60度，在同樣孔隙率的情況下則錐形片的流通面積是平面薄片的2倍，或者在同樣空隙率和流通面積時(shí)，本發(fā)明的催化器主體部分的徑向半徑可縮小0.7倍，有效減小了對(duì)安裝空間的要求。
本發(fā)明的多孔球弧蜂窩板可以和進(jìn)口面上的法蘭連接固定，這種連接固定可靠而又方便。
本發(fā)明主要用于汽油機(jī)尾氣催化的催化器系統(tǒng)，也可以用于柴油機(jī)尾氣催化器系統(tǒng)。
如圖所示，本發(fā)明包括擴(kuò)展段1和催化器主載體段，在擴(kuò)展段1進(jìn)口面上設(shè)置一個(gè)多孔球弧蜂窩板2，擴(kuò)展段1的外殼和球弧蜂窩板2與尾氣管8連接固定。球弧蜂窩板2上密布流道3，催化器主載體段由大約有20片的錐形蜂窩片4組成，錐形蜂窩片4在主載體段的圓柱形外殼6內(nèi)離散排列并通過(guò)擋圈7固定，錐形蜂窩片4的流道5方向與錐面和弧面垂直。
圖2為本發(fā)明用于柴油機(jī)尾氣催化器實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意2中，在擴(kuò)展段1進(jìn)口面上設(shè)置一個(gè)多孔球弧蜂窩板2，擴(kuò)展段1的外殼和球弧蜂窩板2與尾氣管8連接固定，球弧蜂窩板2上密布流道3，催化器主載體9為壁流式，尾氣從催化器進(jìn)口面進(jìn)入一微元流道10。
如

圖1所示，本發(fā)明主要應(yīng)用于汽油機(jī)的汽車(chē)尾氣催化器，包括擴(kuò)展段1和催化器主載體段，在擴(kuò)展段1進(jìn)口面上設(shè)置一個(gè)多孔球弧蜂窩板2，擴(kuò)展段1的外殼和球弧蜂窩板2與尾氣管8通過(guò)焊接或法蘭連接固定。球弧蜂窩板2上密布與球弧表面垂直、壁厚基本相等、直徑為1mm的流道3，流道3最大偏離軸心線的角度為擴(kuò)展段1的擴(kuò)展角。流道3的壁面敷有鉑，銠等貴金屬活性層。催化器主載體段由大約20片的錐形蜂窩片4組成，錐形蜂窩片4在主載體段的圓柱形外殼6內(nèi)離散排列，并通過(guò)擋圈7固定，錐形蜂窩片4之間的間隙為1mm。錐形蜂窩片4的錐角不小于45度。錐形蜂窩片4在錐頂處有一圓弧過(guò)渡段。錐形蜂窩片4厚度基本均勻，其值一般不超過(guò)5mm為宜。錐形蜂窩片流道5的方向基本上與錐面和弧面垂直。
流速分布不均勻的尾氣到達(dá)球弧蜂窩板2內(nèi)腔，經(jīng)過(guò)該內(nèi)腔的整合，從流道3均勻地流出，在擴(kuò)張段均勻擴(kuò)張地流過(guò)，并進(jìn)入錐形蜂窩片。尾氣經(jīng)歷了球弧蜂窩板2的預(yù)催化反應(yīng)，再經(jīng)歷了作為主催化體的錐形蜂窩片4多級(jí)催化反應(yīng)。該催化器系統(tǒng)尤其適合安裝于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣口附近。
圖2為本發(fā)明球弧蜂窩板用于柴油機(jī)尾氣催化器系統(tǒng)。球弧蜂窩板2的流道3壁面不涂催化活性層，流道3直徑為2mm，球弧蜂窩板2的其余參數(shù)與圖1一樣。催化器主載體9為壁流式，即尾氣從催化器進(jìn)口面進(jìn)入一微元流道10，通過(guò)多孔介質(zhì)壁面流入其周邊的微元流道，并從這些流道中流出。尾氣經(jīng)過(guò)球弧蜂窩板2改變了進(jìn)入擴(kuò)展段1的射流效應(yīng)，均勻地?cái)U(kuò)張流過(guò)擴(kuò)展段，并均勻進(jìn)入壁流式催化器主載體。由于制造技術(shù)上的理由，壁流式催化器主載體還是采用整體柱式形。
權(quán)利要求
1.一種基于球弧蜂窩板的汽車(chē)尾氣催化器，包括擴(kuò)展段(1)和催化器主載體段，其特征在于擴(kuò)展段(1)進(jìn)口面上設(shè)有多孔球弧蜂窩板(2)，球弧蜂窩板(2)的開(kāi)孔環(huán)形端面與擴(kuò)展段(1)的錐形外殼及擴(kuò)展段前尾氣管(8)連接固定，球弧蜂窩板(2)的直徑由公式d/Sinα確定，其中d為尾氣管(8)直徑，α為擴(kuò)展段(1)的擴(kuò)展角，球弧蜂窩板(2)上密布壁厚基本相等、與球弧表面垂直的流道(3)，流道(3)最大偏離軸心線的角度為擴(kuò)展段(1)的擴(kuò)展角。
2.如權(quán)利要求1所說(shuō)的基于球弧蜂窩板的汽車(chē)尾氣催化器，其特征在于球弧蜂窩板(2)的流道(3)壁面涂有貴金屬催化活性層，涂層中催化物質(zhì)是鉑和/或銠。
3.如權(quán)利要求1所說(shuō)的基于球弧蜂窩板的汽車(chē)尾氣催化器，其特征在于球弧蜂窩板(2)的流道(3)壁面不涂催化活性層，流道(3)直徑選用2～5mm。
4.如權(quán)利要求1所說(shuō)的基于球弧蜂窩板的汽車(chē)尾氣催化器，其特征在于球弧蜂窩板(2)的厚度均勻，厚度與孔徑之比為1～10，優(yōu)先選用2～5。
5.如權(quán)利要求1所說(shuō)的基于球弧蜂窩板的汽車(chē)尾氣催化器，其特征在于催化器主載體段由錐形蜂窩片(4)組成，錐形蜂窩片(4)在主載體段的圓柱形外殼(6)內(nèi)離散排列，并通過(guò)擋圈(7)固定，錐形蜂窩片(4)之間的間隙為0.5mm～2mm，錐形蜂窩片(4)的錐角不小于45度，厚度不超過(guò)5mm，錐形蜂窩片(4)有一寬度不超過(guò)5mm的邊，并在錐頂處有一圓弧過(guò)渡段，錐形蜂窩片(4)的流道(5)方向與錐面和球弧表面垂直。
全文摘要
一種基于球弧蜂窩板的汽車(chē)尾氣催化器，包括擴(kuò)展段和催化器主載體段，在擴(kuò)展段進(jìn)口面上設(shè)有多孔球弧蜂窩板，并與擴(kuò)展段的錐形外殼及尾氣管可靠連接固定，球弧蜂窩板上密布與球弧表面垂直的流道，流道最大偏離軸心線的角度為擴(kuò)展段的擴(kuò)展角。主載體段由錐形蜂窩片離散排列組成，錐形蜂窩片厚度均勻，其流道方向與錐面和球弧表面垂直。本發(fā)明的球弧蜂窩板可用于汽油機(jī)催化器，也可用于柴油機(jī)催化器，能使尾氣流速均勻，傳質(zhì)速率提高，有效減小催化器的徑向半徑，降低有害排放量。
文檔編號(hào)F01N3/28GK1403691SQ0213743
公開(kāi)日2003年3月19日 申請(qǐng)日期2002年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2002年10月15日
發(fā)明者吳國(guó)江, 黃震, 張武高 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)