CN1175992A - 带具有不同流阻的可以由流体通过的流道的蜂窝体 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一个蜂窝体(2),尤其涉及一种催化剂载体元件,该蜂窝体具有许多的通道(8,12),液体可以通过该通道流动。第一组通道(12)比第二组通道(8)的流阻高并且蜂窝体具有至少一个在圆周方向上仅仅覆盖部分横截面的、相对流阻高的这种通道(12)的偏心聚集或凝聚(15,16)。流阻较高的通道(12)的液压直径小于通道(8)并且在其入口和/或出口端和/或在其内部具有阻流的附加结构。因而可以这样生产蜂窝体,即精确地限定整个截面上的流阻分布并与流动条件相匹配,将这样的蜂窝结构设置于具有电加热和缝隙的蜂窝体的下游尤其有利。

Description

带具有不同流阻的可以由流体通过的流道的蜂窝体
本发明涉及一种蜂窝体，特别是用于排气***中废气催化反应的催化剂载体。这种蜂窝体首先用在载重汽车、柴油机和快燃发动机中。
已知大量不同结构的开头所说的那种蜂窝体。它可以由陶瓷材料制成，特别是挤出成形。另一类蜂窝体由卷绕的，分层叠放的和/或交织的，至少部分地制有构造的金属板制成。其中这种蜂窝体的流道的流阻取决于它的形状和它的壁板的构造。它的形状和大小决定其流通直径，而在端部和/或流道内部的构造和/或障碍则可能额外地增大流阻。
因为通常在管道***内流体具有一个大致的抛物线形的速度图，其中在中央流速最大，在边缘等于0，因此已经众所周知，窝体做得使中央部位流阻大于外缘部位。例如在EP-0336106B1和EP-0542805B1中介绍了这种蜂窝体。按照现有的技术状况通常从回转对称流动出发，所以具有不同流道截面的蜂窝体始终具有大致对称的，通常是同心分布的不同横截面的流道。在椭圆形窝体时时力求带两个相互垂直的对称轴的相应结构。
其次由WO90/08249、WO91/01178和WO91/01807已知蜂窝体流道内部的增大流阻的构造。本发明明确地涉及这些资料中所叙述的蜂窝体和制造方法。
EP-0542775B1中也叙述了一种沿流动方向单位截面流道数增大的蜂窝体，尽管它是不可分割的。这种结构形式对于本发明也有价值，因此本发明明确地涉及到这份文献。
可以断定，在某些排气***中，特别在发动机附近区域不存在对称流动特性。由于在催化转化器中所用的蜂窝体的结构特性，特别是在发动机附近区域，偏心地和/或非对称地入流，使得蜂窝体端面上一定的部位产生特别大的载荷，因此产生扩展性损坏和较小的使用寿命。
即使在采用电加热蜂窝体时也会导致装在它后面的蜂窝体的非均匀入流，因为电加热蜂窝体可能会有用于电隔离的气隙，它具有比电加热蜂窝体的流道更小的流阻。
由WO92/13636已知一种用于排气***中废气催化反应的装置，它至少包括两个相互间隔一定距离的，相对于废气流动方向依次排列的蜂窝体。每个蜂窝体具有可以让流体通过的流道。在流动轴线附近设有支承元件，蜂窝体通过它们相互连接和相互支承。从流动方向看装在前面的蜂窝体是可电加热的。可电加热的蜂窝体在它的整个横截面上通过陶瓷绝缘涂层电隔离，因此电流沿由隔离层给定的路径流动。电加热蜂窝体的任务是在内燃机冷起动阶段减少有害物质排放。
其次已知，经过可电加热蜂窝体的导电路径相对于相邻零件的电绝缘由气隙承担。由P.F.Kuper等所写的论文“极低功率的电加热催化***”(SAE技术报940465期)中叙述了一种这样的装置。气隙促使蜂窝体非均匀的穿流，因为根据各个蜂窝体结构的不同有一部分待转化的流体通过气隙流走。特别是当前一个蜂窝体中流道的尺寸做得接近于或者小于气隙宽度时就会出现这种情况，因此迄今为止要避免这种情况的出现。因此在一定条件下在冷起动时一部分流体不转化或者仅仅不充分地转化，或者后接蜂窝体的局部区域受到更大的载荷。
本发明的目的在于：制造一种蜂窝体，它能补偿偏心和/或非对称和/或非均匀入流，从而达到流动的均匀化和对于所有流动区域大致均匀的催化反应。
按权利要求1的蜂窝体用来解决这个任务。优良的结构，特别是和一个后接的电加热蜂窝体连接在一起在从属的权利要求中陈述。
通过本发明可以对于每一种应用场合提供最佳的蜂窝体，只要相应于流动分布(通过试验或计算求出)设置蜂窝体内的流阻分布。在较强入流的区域至少在蜂窝体轴向长度的一部分上提高流阻，只要在这个区域设置较小的流道和/或额外地带有增大流阻的构造的流道。
这可以应用于很多结构类型的蜂窝体，但是在由至少部分地制成构造的板制成的金属蜂窝体中特别容易实现。特别是由至少一组相互交织的金属板制成的蜂窝体可以通过应用带不同构造高度的金属板在一定的区域内很容易地修改得与一定的入流条件相匹配。这里不管是单个偏心入流区域，还是两个或几个偏心入流区域可以通过相应地改变构造加以补偿。
其次在应用于所谓的带一个连接在第二个蜂窝体前面的加热催化剂的直通联接结构时本发明以下述基本设想为基础，通过有目的地调整第二个蜂窝体中的流阻分布也对第一蜂窝体中流体的流动特性产生影响，这样可以提高装置的总的催化效果。流体的流动特性可以通过这样的方法施加影响，使第二个蜂窝体至少在面对气隙的区域内具有比蜂窝体的其他区域大的流阻。通过这个措施达到减少流过气隙的流体的流量，并使流体均匀地流入第二个蜂窝体。这时与第一个蜂窝体起催化作用的表面相接触的流体分量得到提高，使得在冷起动时转化程度得到改善。
为了提高第二个蜂窝体的流阻建议，第二个蜂窝体做得单位横截面内(包括考虑第二蜂窝体内与气隙相对的区域)具有比蜂窝体的其他区域数量更多的流道。通常它有一个前提条件：两个蜂窝体做得一样，就可借助于实施例还要更详细阐述的那样。
代替在一定区域内减小流道横截面也可以通过在流道内附加的构造提高流阻。两个措施可以单独地，也可以共同地采用。在大多数情况下附加的构造可以对蜂窝体内的扩散过程产生有利影响，并因此起更好的催化作用。
单位面积内的流道数量不管在与气隙相对的区域还是在其余的横截面区域可以在沿第二蜂窝体流动路径的整个长度上保持不变。对于附加的构造也一样。特别是在长蜂窝体时这可能导致装置非预期的、大的总压力损失。因此优选推荐带第二个蜂窝体的装置，它的流道数量相对于流动方向的横截面是变化的。在与气隙相对的区域内的流道数量可以沿流动方向重新减少。在恒定的横截面中流道数量的减少导致流道内自由流通截面的扩大。由此可以在第二个蜂窝体后面或者装置的后面调整成期望的流动图，这对于排气***的噪声抑制也可能是有价值的。
根据第二个蜂窝体长度的不同流道的横截面可以加以优化，使得一方面在与气隙相对的区域内流阻足够大，促使流体均匀分布，另一方面装置总的压力损失不致太大。
在(本发明)装置的一种优良结构中流道数量先是增加，然后沿流动方向减少。例如用这种方法可以实现一种蜂窝体，它相对于它的装入方向是对称的，从而使它不可能出现装配错误。或许通过这种结构也可以充分利用蜂窝体抑制噪声的特性。
通过P.F.Kuper等的论文已知一种装置，在它里面有许多长的，其端部具有不同尺寸横截面的支承元件在第一个和第二个蜂窝体之间延伸，并将它们机械连接，但是电气相互绝缘。每个支承元件以它的较粗的末端至少部分地伸入第一个蜂窝体的流道，并以它较细的末端伸入第二个蜂窝体的流道，其中第一个可以电加热的蜂窝体比第二个具有较少的相对于横截面的流道数量。
与这些已知结构形式不同现在起按本发明推荐一种装置，这种装置中伸入第二个蜂窝体流道内的各个支承元件端部的横截面大于伸入第一个蜂窝体流道内的端部的横截面。为此第二个蜂窝体具有这样尺寸的流道，它的横截面可以容纳支承元件，而不损坏围成流道的板壁。例如这可以通过一层或几层具有比第二蜂窝体其他板更大波高的波纹板实现。
这种蜂窝体可以以众所周知的类型由在横截面内大致呈S形走向的板(层)制成。这种蜂窝体可以通过一组板的端部相互交织来制造，这种蜂窝体中可以将不同局部的组由不同程度的波纹板分层叠放而成，以达到预期的结构。其中通常应用交替布置的平滑的和制有构造的板，这里制有构造的板具有不同的构造，特别是波高。各组板的不同构造承担不同的任务。例如蜂窝体可以由两组板制成，其中每组组板看作由相同构造，但具有不同波高的板组成。第一组板和第二组板这样地相互交织，使单位面积具有较多流道的第一组板位于和气隙相对的部位，并只有第二组板容纳支承元件。蜂窝体还可以包含具有其他波高的更多组板。
构造在其纵向可以是不同长度的，使得沿蜂窝体纵向流阻有所变化，如由EP0542775B1所知的那样，这里涉及它的全部内容。
借助于图形对本发明的其他细节和实施例作更详细的阐述。它们表示：
图1装置的正视图；
图2通过按图1的装置的横剖面；
图3第二个蜂窝体的示意正视图；
图4一个蜂窝体的纵剖面；
图5一个带有附加构造的蜂窝体流道的部分纵剖面；
图6由三组相互交织在一起的铁板制成的蜂窝体的横剖面示意图，其中一组具有加大流阻的流道。
图1和2表示本发明一种优先采用的实施例。在排气***，特别是用于内燃机，尤其是快燃发动机的排气***内用于废气催化反应的装置包含一个第一蜂窝体1，它装在距第二蜂窝体2一定距离处。两个蜂窝体之间的距离例如在1到6mm之间，其中第二蜂窝体的端面可以是略微中凸地拱起的。第二蜂窝体2用来作为第一个较短的蜂窝体的支承。通过支承元件3将两个蜂窝体1和2相互连接在一起，其中有强烈振动倾向的第一蜂窝体1支承在第二蜂窝体2上。第一蜂窝体1是可以电加热的，并具有电绝缘间隙。
支承元件3具有一个伸入第一蜂窝体的细的端部18和一个伸入第二蜂窝体2的粗的端部17。细的端部18具有比粗的端部17更小的横截面。
为了电加热第一蜂窝体1与电绝缘地穿过外壳9的导线10和11相连。在第一蜂窝体时实施例中涉及到一种以众所周知的方法由一组S形交织在一起的金属板制成的物体。第一蜂窝体1在它的整个横截面上通过气隙4、5电分离。
按图3示意地表示了同样由一组S形交织在一起的金属板制成的第二蜂窝体2，其中如果两个蜂窝体(与所表示的不同)做得相类似(例如具有同样的组高)，并且相互这样地安排，使它们交织的方向和位置相同，对于按本发明装置制造的简单化是很有帮助的。一组(金属板)包括平整板6和制有构造的板7。板6和7围成流体可以流通的流道8。在与气隙4、5相对的区域内第二蜂窝体2具有比在其他区域单位横截面数量更多的小流道12。流道12同样由制成构造的板13和平整板14围成。如果流道8的尺寸不足以容纳支承元件3的粗的端部17，也可以设置一层或几层具有更大波高的波纹板以容纳支承元件3，但是它不一定要延伸到第二蜂窝体2的整个轴向长度上。
图4中示意地表示第二蜂窝体2，它沿流动方向分成两个区段A和B。用15和16表示单位横截面内具有更多流道数的两个区域。区域15和16处于正对着气隙的地方。区域15和16在蜂窝体的区段A上延伸。在区段B内各个流道的横截面处处相同，这样的话，如果前面的部分A还设有用以容纳支承元件3的较大波高的附加板层也是可以的。
图5表示提高蜂窝体2的流道12的流阻的另一种可能性。通过在构成流道12的至少一层金属板、特别是在制有构造的板13上的附加构造19提高流阻。通常这也导致在涂有催化活性材料的蜂窝体中催化作用的提高，因为附加构造19影响图5中所示的流动图9，并强化扩散过程。
图6表示一种由三组相互交织在一起的金属板构成的蜂窝体的横截面，它装在一个外壳管20中。其中一组板至少部分地由具有比其余波纹板7较小构造的板组成，使得在这一组中得到具有较小流通截面、因此有比较大的流阻的流道12。正是这里作为例子表示的由三组或更多组构成的结构形式允许通过组数和厚度的变化加上不同地制有构造的板6、7在整个横截面上流阻分布方面有很大的多样性。
本发明相对于现有技术状况在蜂窝体整个横截面上流阻的分布方面具有更大的灵活性，特别是通过单位横截面不同数量的流道。这样在一个至少由两个蜂窝体组成的装置中在第一蜂窝体中流通的不均匀性可以在第二蜂窝体中加以补偿。

Claims (19)

1.蜂窝体(2)，特别是催化剂载体，带许多可以由流体流通的流道(8、12)，其中第一部分流道(12)具有比第二部分流道(8)大的流阻，其中蜂窝体(2)至少具有一个偏心的、在圆周方向仅仅包含蜂窝体横截面一部分的，具有高流阻的流道(12)的密集区(15、16)。
2.按权利要求1的蜂窝体，其特征在于：具有较大流阻的流道(12)具有比其余流道(8)小一些的流通直径。
3.按权利要求1或2的蜂窝体，其特征在于：具有较大流阻的流道(12)在它的开头和/或末尾和/或它的内部具有附加的、阻碍流动的构造(19)。
4.按权利要求1、2或3的蜂窝体，其特征在于：蜂窝体(2)由至少部分地制有构造的、构成可流通的流道(8、12)的板(6、7、13、14)制成。
5.按权利要求4的蜂窝体，其特征在于：蜂窝体至少包含一组交织的板层(6、7、13、14)，最好是两组或多组，特别是由板层组构成的组。
6.按权利要求4或5的蜂窝体，其特征在于：一部分板(13)具有和其他板(7)不同的构造，由此由这部分板制成的流道(12)具有比其他流道(8)大一些的流阻。
7.按上述权利要求之任一项的蜂窝体，其特征在于：它由交替地平整的(6、14)和波纹的(7、13)板构成，其中波纹板(7、13)至少具有两种不同的波高，其中具有较小波高的板(13)构成具有较大流阻的流道(12)。
8.用以清洁废气的、具有按上述权利要求之任一项的第二蜂窝体(2)的装置，在第二蜂窝体前面装有可电加热的第一蜂窝体(1)，它同样具有许多用以流过流体的流道，
·其中蜂窝体(1，2)可以先后顺序地流通，
·其中可电加热的蜂窝体(1)在它的整个横截面上通过至少一个气隙(4、5)电隔离，特别是曲折形的和/或螺旋形的，
·其中第二蜂窝体(2)至少在与气隙(4、5)相对的区域具有一个比蜂窝体(2)的其他区域有更大流阻的流道的密集区。
9.按权利要求8的装置，其特征在于：第二蜂窝体(2)内与气隙(4、5)相对的区域(15、16)内单位横截面的流道(12)的数量大于这个蜂窝体(2)其他区域内(的数量)。
10.按权利要求8或9的装置，其特征在于：在与气隙(4、5)相对的区域(15、16)内单位横截面流道(12)的数量沿流动方向是变化的。
11.按权利要求10的装置，其特征在于：流道的数量逐渐地变化。
12.按权利要求8至11之任一项的装置，其特征在于：第一蜂窝体(1)内流道的最大直径大致等于或小于气隙(4、5)的平均宽度。
13.按权利要求8至11之任一项的装置，其特征在于：第一蜂窝体(1)具有比第二蜂窝体(2)大的单位横截面流道数。
14.按权利要求8至13之任一项的装置，其中有许多细长的、在其端部(17、18)具有不同大小横截面的支承元件(3)在第一(1)和第二(2)蜂窝体之间延伸，并将它们机械连接，其中每个支承元件(3)至少部分地伸入第一蜂窝体和第二蜂窝体(1；2)的各一个流道，其特征在于：各个支承体(3)伸入第二蜂窝体(2)流道的粗的端部(17)的横截面大于伸入第一蜂窝体(1)的流道的细的端部(18)的横截面。
15.按权利要求14的装置，其中第二蜂窝体(2)包含分层设置的、至少部分地制有构造的板(7、13)，它们形成大致沿流动方向分布的，由板的构造确定其尺寸的流道(6、12)，其特征在于：第二蜂窝体(2)至少包括两类制有不同构造的板。
16.按权利要求14或15的装置，其特征在于：第二蜂窝体(2)包括至少一个与气隙(4、5)相对的具有较小波高的第一波纹板和至少一个容纳支承元件的具有较大波高的第二波纹板。
17.按权利要求15或16的装置，其特征在于：制有不同构造的板总是仅仅在蜂窝体(2)的前一个区段(A)上延伸。
18.按权利要求17的装置，其特征在于：在沿流动方向前后衔接的区段内横截面内流道的数量沿流动方向增加或减少，特别是在具有较大波度的波纹板的后面增加和/或在具有较小波度的波纹板的后面减少。
19.按权利要求8至18之任一项的装置，其特征在于：第一(1)和第二(2)蜂窝体由相互交织在一起的、特别是由一组S形交织的板构成，并安排成这样，两个蜂窝体交织的走向基本上相互对准，特别是S形交织的方向和组高相同。
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