CN108590825A - 一种具有新型扩张管导流装置和海泡石载体的发动机催化转化器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有新型扩张管导流装置和海泡石载体的发动机催化转化器，由法兰、扩张管、导流装置、固定筋板、壳体、减震层、海泡石载体和收缩管组成；扩张管为光滑的流线型曲面结构，消除了扩张管内局部流动损失，其尾部曲面折弯段用于改变尾气流向；扩张管内设有导流装置，扩张管内壁和导流装置外壁协同对尾气进行导流，使得气流通过海泡石载体时流动分布更加均匀；增加固定筋板，将导流装置固定在扩张管内壁；本发明适用不同工况下汽油机或柴油机的尾气净化，也适用不同孔密度、孔形状的陶瓷蜂窝载体和金属载体；载体催化剂涂层材料中增加海泡石，增大了尾气复合转化效率；收缩管也采用流线型曲面，减小了收缩管内流动阻力，装置结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及一种发动机催化转化器，具体涉及一种具有新型扩张管导流装置和海泡石载体的发动机催化转化器。
背景技术
传统的发动机催化转化器，其扩张管设计成壁面为直边形曲面、截面逐渐增大的圆台结构，其缺点是汽车尾气进入扩张管时，易在扩张管的近壁面形成涡流、气壁分离等现象，使得扩张管内部形成较大的局部流动损失，同时使得载体前端的汽车尾气在径向上分布不均。传统催化转化器的载体中心区域由于流量大、温度高，易因产生的较大热应力而快速老化，而载体边缘区域流量较小，载体利用率低，使得整体上，载体的转化效率和利用率低下。此外，现有催化转化器的改进结构，其主要特点为在扩张管内加装多层喇叭状导流板或螺旋叶片式导流装置，虽然可以有效消除扩张管内的局部流动损失，但这种导流装置只是强迫气流改变流向，使其流向多层喇叭状导流板中间并沿着导流板流动，增大了流动阻力，两者使汽车尾气通过载体时的流动均匀性仍不够理想。本发明将扩张管设计成光滑的流线型曲面结构，同时将导流装置设计成空心、封闭、壁面为流线型曲面，且前壁面为人字型曲面，背壁面为ω型曲面的旋转曲壳结构，使得导流装置和扩张管共同起导向作用，汽车尾气先流向导流装置的两端，再沿催化转化器的径向汇入导流装置尾部，最后汇入海泡石载体内部，利用CFD软件进行数值模拟发现这种设计不仅可以降低流动阻力，消除扩张管内的局部流动损失，同时可极大地提高载体内部的流动均匀性。更重要的是，传统催化转化器载体的催化剂涂层使用贵金属材料，只具有单一的催化反应作用，其比表面积较小，故需负载大量贵金属才能满足较高的排放标准，这使得催化转化器的生产成本较高。海泡石晶体为层链状结构，其特有的结构决定它具有很好的吸附性能、流变性能和催化性能，湘潭称为中国的“海泡石之都”，湘潭地区的海泡石不含石棉、无毒、无放射性，具有高热稳定性、高吸附性和大比表面积的特点，在发动机催化转化器载体催化剂涂层材料中使用海泡石，在较小的贵金属负载量条件下即可对发动机尾气同时实现较高的化学催化反应和物理吸附净化复合型转化效率，节约了生产成本。
发明内容
本发明的目的在于针对现有催化转化器结构中存在的缺陷，提出一种具有新型扩张管导流装置和海泡石载体的发动机催化转化器结构，使得催化转化器内部压力损失更小，同时使得载体内部的汽车尾气分布更加均匀，从而提高载体利用率和使用寿命，在载体催化剂涂层材料中使用海泡石，在较小的贵金属负载量条件下即可达到较高的催化效率，节约了生产成本。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：
一种具有新型扩张管导流装置和海泡石载体的发动机催化转化器，其特征在于由法兰、扩张管、导流装置、固定筋板、壳体、减震层、海泡石载体和收缩管组成；所述扩张管内设置有导流装置，扩张管进口端通过法兰与排气管出口端连接，导流装置位于扩张管内，并通过固定筋板固定在扩张管内壁，固定筋板共有三块，其上长边焊接在扩张管内壁，下长边焊接在导流装置前壁面，扩张管出口端与壳体的一端连接，壳体另一端连接收缩管入口端。海泡石载体和壳体之间隔有减震层。将扩张管设计成光滑的流线型曲面结构，同时在扩展管内部增设导流装置，在导流装置和扩张管的共同导向作用下，汽车尾气先流向导流装置最大直径处的***区域，并沿催化转化器的径向汇入导流装置背部区域，然后进入海泡石载体内部。利用CFD软件Fluent对具有新型扩张管导流结构的车用发动机催化转化器模型进行数值模拟，可以为优化设计提供指导。模拟结果显示，相比传统的发动机催化转化器和加装多层喇叭状导流板或螺旋叶片式导流装置的催化转化器改进结构，本发明可极大地提高海泡石载体内部流场分布均匀度，同时消除扩张管内的局部流动损失，提高海泡石载体利用率和使用寿命。
进一步地，所述扩张管为光滑的流线型曲面结构，尾部曲面折弯段可以改变流体流向，使得扩张管前端的流体由轴向流动改变为径向流动，尾气从径向汇入导流装置尾部，然后进入海泡石载体内部。
进一步地，所述导流装置为空心、封闭、壁面为流线型曲面，且前壁面为人字型曲面，背壁面为ω型曲面的旋转曲壳结构，其前壁面与扩张管通过三块固定筋板连接，并协同对尾气进行导流，背壁面的ω型曲面可减小流动阻力，使尾气在海泡石载体前端混合均匀，更重要的是可改善径向尾气分布，使得发动机尾气通过海泡石载体时的流动均匀性大大提高。
进一步地，所述收缩管为光滑的流线型曲面结构，用以减小收缩管内流动阻力，收缩管出口端截面形状及大小与扩张管进口端一致。
进一步地，所述固定筋板厚度为1.5mm，其上长边固定在扩张管内壁，下长边固定在导流装置前壁面，其两条长边均为样条曲线，且固定筋板高度沿尾气流向逐渐减小，最小高度为扩张管入口直径的21%。
进一步地，所述海泡石载体适用于不同孔密度、孔形状的陶瓷蜂窝载体和金属载体，其表面涂覆材料的制备原料为湘潭地区天然海泡石，经酸性表面处理后再制备为载体涂覆材料。
进一步地，所述海泡石载体涂覆材料的制备方法为，将湘潭地区天然海泡石浸渍在1.7mol/L的盐酸水溶液中进行表面酸性处理，经干燥焙烧后得到酸性海泡石，再将酸性海泡石浸渍在浓度为4%的硝酸铈溶液中30个小时，最后，在450℃恒温焙烧3小时，得到海泡石载体的Cu/Sep催化剂。
本发明的积极效果是：扩张管壁尾部曲面折弯段可以改变流体流向，使得扩张管内部的流体由轴向流动变为径向流动，消除了扩张管内的局部流动损失；扩张管内部固定有导流装置，且扩张管壁面和导流装置壁面均设计为光滑的流线型曲面，并协同对尾气进行导流，降低了扩张管内部流动阻力，同时使得气流通过海泡石载体前端时流场分布均匀，进而提高海泡石载体利用率和使用寿命；本发明适用于不同工况下的汽油机或柴油机的尾气净化，也适用于不同孔密度、孔形状的陶瓷蜂窝载体和金属载体；载体催化剂涂层材料中增加了具有高热稳定性、高吸附性、大比表面积和无毒无放射性的海泡石，在较小的贵金属负载量前提下同时增大了发动机尾气的化学催化反应和物理吸附净化复合型转化效率，节约了生产成本；收缩管也采用流线型曲面，减小了收缩管内的流动阻力，装置结构简单。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是催化转化器的整体结构示意图
图2是催化转化器的剖面示意图
图3是固定筋板和导流装置的结构示意图
图4是导流装置的半剖结构示意图
图5是新型催化转化器的二维CFD仿真速度场分布云图
图6是新型催化转化器的二维CFD仿真压力场分布云图
图1-图4中，1是扩张管，2是减震层，3是壳体，4是收缩管，5是法兰，6是海泡石载体，7是固定筋板，8是导流装置。
具体实施方式
如图1-图4所示，本发明的一种具有新型扩张管导流装置和海泡石载体的发动机催化转化器由法兰5、扩张管1、导流装置8、固定筋板7、壳体3、减震层2、海泡石载体6和收缩管4组成；扩张管1入口端与法兰5连接，扩张管1进口端通过法兰与排气管出口端连接，扩张管1内设置有导流装置8，导流装置8位于扩张管1内，并通过固定筋板7固定在扩张管1内壁，固定筋板7共有三块，其上长边焊接在扩张管1内壁，下长边焊接在导流装置8前壁面，扩张管1出口端与壳体3的一端连接，壳体3另一端连接收缩管4入口端，海泡石载体6位于壳体3内，海泡石载体6和导流装置8之间隔有减震层2。
所述扩张管1为光滑的流线型曲面结构，尾部曲面折弯段可以改变流体流向，使得扩张管1前端的流体由轴向流动变为径向流动，尾气从径向汇入导流装置8背部区域，然后进入海泡石载体6内部。
所述导流装置8为空心、封闭、壁面为流线型曲面，且前壁面为人字型曲面，背壁面为ω型曲面的旋转曲壳结构，其前壁面与扩张管通过三块固定筋板连接，并协同对尾气进行导流，背壁面的ω型曲面可减小流动阻力，使尾气在海泡石载体6前端混合均匀，更重要的是可改善径向尾气分布，使得发动机尾气通过海泡石载体6时的流动均匀性大大提高。
所述收缩管4为光滑的流线型曲面结构，用以减小收缩管4内流动阻力，收缩管4出口端截面形状及大小与扩张管1进口端一致。
所述固定筋板7厚度为1.5mm，其上长边固定在扩张管1内壁，下长边固定在导流装置8前壁面，其两条长边均为样条曲线，且固定筋板高度沿尾气流向逐渐减小，最小高度为扩张管1入口直径的21%。
所述海泡石载体6适用于不同孔密度、孔形状的陶瓷蜂窝载体和金属载体，其表面涂覆材料的制备原料为湘潭地区天然海泡石，经酸性表面处理后再制备为载体涂覆材料。
所述海泡石载体6涂覆材料的制备方法为，将湘潭地区天然海泡石浸渍在1.7mol/L的盐酸水溶液中进行表面酸性处理，经干燥焙烧后得到酸性海泡石，再将酸性海泡石浸渍在浓度为4%的硝酸铈溶液中30个小时，最后，在450℃恒温焙烧3小时，得到海泡石载体6的Cu/Sep催化剂。
汽车尾气从扩张管1入口端进入装置中，在扩张管1内壁和导流装置8外壁的共同作用下，尾气分别流向导流装置8的两端，扩张管1尾部曲面折弯段可以改变流体流向，使得扩张管1前端的流体由轴向流动变为径向流动，尾气从径向汇入导流装置背部区域，然后进入海泡石载体6内部。相比传统的发动机催化转化器和加装多层喇叭状导流板或螺旋叶片式导流装置的催化转化器改进结构，本发明可极大地提高海泡石载体6内部流场分布均匀度，进而提高海泡石载体6利用率和使用寿命，尾气进入海泡石载体6中净化后，经收缩管4排到装置外。
利用Fluent软件对具有新型扩张管导流结构的车用发动机催化转化器模型进行数值模拟，可以为结构优化设计提供指导。仿真结果显示，本发明使用的催化转化器模型，其海泡石载体6前端的速度均匀性指数达到了0.94以上，大大高于传统的发动机催化转化器和加装多层喇叭状导流板或螺旋叶片式导流装置的催化转化器改进结构。图5为新型催化转化器的二维CFD仿真速度场分布云图，可以看出，在新型催化转化器的海泡石载体6内部，流速的分层较少，流体大多以较高的流动速度通过整个海泡石载体6，海泡石载体6内部低速区仅存在靠近壳体3内壁处极窄区域，相对整个海泡石载体6可忽略不计，这说明新型催化转化器可以减小海泡石载体6内低速区范围，使海泡石载体6内部流体流动整体变得均匀，仿真达到了预期的优化效果。
图6为新型催化转化器的二维CFD仿真压力场分布云图，结果显示，在催化转化器海泡石载体6内部，压力分布较为均匀，无局部集中压力的产生，本模型最高压力仅出现在导流装置8壁面上较小区域，对整个催化转化器影响较小，仿真模拟结果能反映出新型催化转化器的主要特点，可为催化转化器的结构优化提供理论依据。
本实施例在新型催化转化器的载体催化剂涂层材料中增加具有高热稳定性、高吸附性、大比表面积和无毒无放射性的海泡石之后，通过发动机台架实验对比测试发现，在较小的贵金属负载量前提下有效提高了发动机尾气的化学催化反应和物理吸附净化复合型转化效率，降低了发动机有害污染物的排放。
以上所述仅为本发明专利关于一种具有新型扩张管导流装置和海泡石载体的发动机催化转化器实施例而已，但本发明专利不仅仅局限于该实施例和附图所公开的内容，凡是不脱离本发明专利所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明专利保护的范围。
Claims (4)
1.一种具有新型扩张管导流装置和海泡石载体的发动机催化转化器，其特征在于由法兰、扩张管、导流装置、固定筋板、壳体、减震层、海泡石载体和收缩管组成；扩张管入口端与法兰连接，扩张管的进口端通过法兰与排气管出口端连接，扩张管内置有导流装置，并通过固定筋板固定在扩张管内壁，固定筋板共有三块，其上长边焊接在扩张管内壁，下长边焊接在导流装置前壁面，扩张管出口端与壳体的一端连接，壳体另一端连接收缩管入口端，海泡石载***于壳体内，海泡石载体和壳体之间隔有减震层；所述扩张管为光滑的流线型曲面结构，尾部曲面折弯段可以改变流体流向，使得扩张管前端的流体由轴向流动变为径向流动，发动机尾气从径向汇入导流装置背部区域，然后进入海泡石载体内部；所述导流装置为空心、封闭、壁面为流线型曲面，且前壁面为人字型曲面，背壁面为ω型曲面的旋转曲壳结构，其前壁面与扩张管通过三块固定筋板连接，并协同对尾气进行导流，背壁面的ω型曲面可减小流动阻力，发动机尾气通过海泡石载体时流动均匀性提高；所述海泡石载体适用于不同孔密度、孔形状的陶瓷蜂窝载体和金属载体，其表面涂覆材料的制备原料为湘潭地区天然海泡石，经酸性表面处理后再制备为载体涂覆材料。
2.根据权利要求1所述的一种具有新型扩张管导流装置和海泡石载体的发动机催化转化器，其特征在于，所述固定筋板厚度为1.5mm，其上长边固定在扩张管内壁，下长边固定在导流装置前壁面，其两条长边均为样条曲线，且固定筋板高度沿尾气流向逐渐减小，最小高度为扩张管入口直径的21%。
3.根据权利要求1所述的一种具有新型扩张管导流装置和海泡石载体的发动机催化转化器，其特征在于，所述海泡石载体涂覆材料的制备方法为，将湘潭地区天然海泡石浸渍在1.7mol/L的盐酸水溶液中进行表面酸性处理，经干燥焙烧后得到酸性海泡石，再将酸性海泡石浸渍在浓度为4%的硝酸铈溶液中30个小时，最后，在450℃恒温焙烧3小时，得到海泡石载体的Cu/Sep催化剂。
4.根据权利要求1所述的一种具有新型扩张管导流装置和海泡石载体的发动机催化转化器，其特征在于，所述收缩管为光滑的流线型曲面结构，且收缩管出口端截面形状及大小与扩张管的进口端一致。
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