CN1177128C - 基于球弧蜂窝板的汽车尾气催化器 - Google Patents

Abstract

一种基于球弧蜂窝板的汽车尾气催化器，包括扩展段和催化器主载体段，在扩展段进口面上设有多孔球弧蜂窝板，并与扩展段的锥形外壳及尾气管可靠连接固定，球弧蜂窝板上密布与球弧表面垂直的流道，流道最大偏离轴心线的角度为扩展段的扩展角。主载体段由锥形蜂窝片离散排列组成，锥形蜂窝片厚度均匀，其流道方向与锥面和球弧表面垂直。本发明的球弧蜂窝板可用于汽油机催化器，也可用于柴油机催化器，能使尾气流速均匀，传质速率提高，有效减小催化器的径向半径，降低有害排放量。

Description

基于球弧蜂窝板的汽车尾气催化器

技术领域：

本发明涉及一种汽车尾气催化器，尤其涉及一种基于球弧蜂窝板的汽车尾气催化器，主要解决汽油机和柴油机中的尾气催化反应***中扩展段和催化器主载体段的流速优化问题。

背景技术：

流过催化器的流速分布对容积使用效率，催化转化效率，使用寿命都有重要影响。通常催化器是由耐高温的陶瓷或合金材料压制而成的蜂窝体，在蜂窝体内的微小流道壁面上涂有含贵金属铂，铑等的多孔活性层，尾气中的有害物质NOx，一氧化碳和碳氢在流过微元流道时通过传质在活性涂层上起化学反应转化为无害物质。涂在催化器微小流道壁面上的活性涂层在尾气经过时会被磨损，其磨损程度与尾气流速的2至5次方成正比，流速的不均匀分布使得催化器内部分流道具有较高的流速，涂敷在这些流道壁面上的催化活性涂层承受很大的局部磨损，这些流道就较早失去催化功能，而流速较低的流道壁面上的催化活性涂层的催化转化功能又得不到充分利用，结果是整个催化器使用寿命和催化器的容积使用率降低；催化器的催化转化效率与尾气流过的空间速度成反比，流速的不均匀分布也增加了部分流道的尾气局部空间速度，在这部分流道经过的尾气即使在局部磨损之前也低于正常催化转化效率。值得注意的是，催化器在发动机冷起动时的前二分钟所排放的有害气体量占总量的60～70％。研究认为尾气不均匀流过催化器，冷起动期间的有害排放量也变得更高，此外这其间催化器体受热也更不均匀，产生很大的热应力，更容易损坏。因此催化器内的流速均匀分布是高度所愿望的，在设计催化器***时是首先应考虑的，一般认为，流过催化器的流动均匀度指数低于0.7时就已不可接受了。

催化器***由扩展段，催化器载体段和收缩段所组成。为了使流过催化器的尾气空间速度在合理的范围内，保证尾气在催化剂表面上的接触时间来进行催化反应，催化器载体段的横截面积要远大于进口面上的横截面积。因此在催化器载体前端面与尾气进口面之间有一扩展过渡段。但由于尾气由进口面进入扩展段的射流贯性效应，使得流动集中在轴心线附近的中心区域，试验和计算都表明，在扩展段两侧形成很大的回流区，以致流过催化器的流速很不均匀。

有许多因素会影响流过催化器的流速分布。例如排气管的弯扭引起的扩展段进口面流速分布的不均匀会使得催化器内的流速分布更不均匀。这种扩展段进口面流速分布的不均匀在催化器***布置在靠近发动机排气口附近更加明显，而为了迅速提高催化剂冷起动其间的温度，降低这其间的有害排放。把催化器***布置在靠近发动机排气口附近是一个很有效的办法。但是发动机出口附近的排气管内的流动很复杂，流动更不均匀，同时发动机出口附近的可用空间非常有限，即使是在车底下安装也是如此，对催化器的尺寸要求较高。

扩展段的扩展角越小，催化器内的流速分布越均匀，但同时扩展段的长度也越长，意味着占用的空间也越多，另外扩展角的减小对流速分布改善的程度也很有限。现有采用在扩展段中间加一圆形挡板，通过对***的流场所作数值模拟，发现挡板后出现了回流区，大部分尾气朝催化器载体的外侧流过，流速分布更不均匀。为了消除挡板后的回流区，本发明人采用穿有多孔的挡板进行数值模拟，与未加多孔板的情况做比较，流动均匀性大幅提高，但悬在空中的多孔挡板的固定很麻烦，也难以承受尾气的长期冲击。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种基于球弧蜂窝板的汽车尾气催化器，能使尾气均匀流出，同时结构简单，减小催化器的尺寸以适应催化器前移至排气口后的有限空间。

为实现这样的目的，本发明的技术方案中，设计的汽车尾气催化器包括扩展段体和催化器主载体段，在扩展段进口面上设置一个多孔球弧蜂窝板，多孔球弧蜂窝板的端面是一个具有开孔的环形平面，通过焊接或法兰与扩展段的锥形外壳及尾气管连接固定。球弧蜂窝板的厚度基本均匀，厚度与孔径之比在1～10的范围之内，优先选用2～5的范围。球弧蜂窝板上密布间隔基本相等的流道，流道所构成的流通面积基本上等于催化器主载体段的横截面积，流道方向与球弧表面垂直，其最大偏离轴心线的角度为扩展段的扩展角，也就是说边缘处的流道方向与扩展段的扩展面方向一致。这样从流动技术上基本保证从球弧蜂窝板出来的靠近扩展外壳的尾气与外壳面平行，尾气在扩展段中能均匀扩展并基本均匀地进入催化器载体。尾气在扩展段不形成涡流区，减小了流动损失，达到尾气均匀进入催化器载体催化的目的。

根据以上球弧蜂窝板的流道方向与球弧面垂直和其方向与轴心线的最大夹角为外壳扩展角的原则，多孔球弧蜂窝板的内侧直径由公式d/Sinα确定，其中d为扩展段前尾气管直径，α为扩展段的扩展角。本发明采用了球弧蜂窝板后，流动均匀度达到了0.9以上。

本发明球弧蜂窝板上的流道壁面可涂上催化活性层，涂层优先由一中间层构成，如多孔氧化铝(Al₂O₃)，其中作为催化物质的是铂(Pt)和/或铑(Rh)。这样就可充分利用扩展段体的空间部分。

本发明在球弧蜂窝板涂上催化活性层后，由于其厚度只有5mm左右，在冷起动其间能更迅速地被尾气加热，催化活性层的温度上升更快，可以降低冷起动其间的有害排放量。

本发明的催化器主载体段由数个锥形蜂窝片组成，锥形蜂窝片在主载体段的圆柱形外壳内离散排列，并通过挡圈固定，片与片之间的间隙为0.5mm～2mm，优先选用1mm。锥形蜂窝片的锥角根据需要而定，但不宜小于45度。锥形蜂窝片有一宽度不超过5mm的边，并在锥顶处有一圆弧过渡段。锥形蜂窝片厚度基本均匀，其值不超过5mm为宜，厚度与孔径之比为5至10倍，锥形蜂窝片流道方向基本上与锥面和弧面垂直。

本发明的催化器主载体的锥形蜂窝片结构，可保证蜂窝通道中的尾气组分传质到活性涂层的传质速率比通道厚度与直径之大于10的结构要高5倍以上。锥形片上流道孔的方向与锥形片垂直，锥形片的锥角表示为β，其流通面积为孔隙率乘以πr²/Sin(0.5β)  ，其中r为锥底圆的半径，如锥角为60度，在同样孔隙率的情况下则锥形片的流通面积是平面薄片的2倍，或者在同样空隙率和流通面积时，本发明的催化器主体部分的径向半径可缩小0.7倍，有效减小了对安装空间的要求。

本发明的多孔球弧蜂窝板可以和进口面上的法兰连接固定，这种连接固定可靠而又方便。

本发明主要用于汽油机尾气催化的催化器***，也可以用于柴油机尾气催化器***。

图面说明：

图1为本发明用于汽油机尾气催化器实施例的结构示意图。

如图所示，本发明包括扩展段1和催化器主载体段，在扩展段1进口面上设置一个多孔球弧蜂窝板2，扩展段1的外壳和球弧蜂窝板2与尾气管8连接固定。球弧蜂窝板2上密布流道3，催化器主载体段由大约有20片的锥形蜂窝片4组成，锥形蜂窝片4在主载体段的圆柱形外壳6内离散排列并通过挡圈7固定，锥形蜂窝片4的流道5方向与锥面和弧面垂直。

图2为本发明用于柴油机尾气催化器实施例的结构示意图

图2中，在扩展段1进口面上设置一个多孔球弧蜂窝板2，扩展段1的外壳和球弧蜂窝板2与尾气管8连接固定，球弧蜂窝板2上密布流道3，催化器主载体9为壁流式，尾气从催化器进口面进入一微元流道10。

具体实施方式：

以下结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明主要应用于汽油机的汽车尾气催化器，包括扩展段1和催化器主载体段，在扩展段1进口面上设置一个多孔球弧蜂窝板2，扩展段1的外壳和球弧蜂窝板2与尾气管8通过焊接或法兰连接固定。球弧蜂窝板2上密布与球弧表面垂直、间隔基本相等、直径为1mm的流道3，流道3最大偏离轴心线的角度为扩展段1的扩展角。流道3的壁面敷有铂，铑等贵金属活性层。催化器主载体段由大约20片的锥形蜂窝片4组成，锥形蜂窝片4在主载体段的圆柱形外壳6内离散排列，并通过挡圈7固定，锥形蜂窝片4之间的间隙为1mm。锥形蜂窝片4的锥角不小于45度。锥形蜂窝片4在锥顶处有一圆弧过渡段。锥形蜂窝片4厚度基本均匀，其值一般不超过5mm为宜。锥形蜂窝片流道5的方向基本上与锥面和弧面垂直。

流速分布不均匀的尾气到达球弧蜂窝板2内腔，经过该内腔的整合，从流道3均匀地流出，在扩张段均匀扩张地流过，并进入锥形蜂窝片。尾气经历了球弧蜂窝板2的预催化反应，再经历了作为主催化体的锥形蜂窝片4多级催化反应。该催化器***尤其适合安装于汽油发动机排气口附近。

图2为本发明球弧蜂窝板用于柴油机尾气催化器***。球弧蜂窝板2的流道3壁面不涂催化活性层，流道3直径为2mm，球弧蜂窝板2的其余参数与图1一样。催化器主载体9为壁流式，即尾气从催化器进口面进入一微元流道10，通过多孔介质壁面流入其周边的微元流道，并从这些流道中流出。尾气经过球弧蜂窝板2改变了进入扩展段1的射流效应，均匀地扩张流过扩展段，并均匀进入壁流式催化器主载体。由于制造技术上的理由，壁流式催化器主载体还是采用整体柱式形。

Claims (5)

1、一种基于球弧蜂窝板的汽车尾气催化器，包括扩展段(1)和催化器主载体段，其特征在于扩展段(1)进口面上设有多孔球弧蜂窝板(2)，球弧蜂窝板(2)的开孔环形端面与扩展段(1)的锥形外壳及扩展段前尾气管(8)连接固定，球弧蜂窝板(2)的直径由公式d/Sinα确定，其中d为尾气管(8)直径，α为扩展段(1)的扩展角，球弧蜂窝板(2)上密布间隔基本相等、与球弧表面垂直的流道(3)，流道(3)最大偏离轴心线的角度为扩展段(1)的扩展角。

2、如权利要求1所说的基于球弧蜂窝板的汽车尾气催化器，其特征在于球弧蜂窝板(2)的流道(3)壁面涂有贵金属催化活性层，涂层中催化物质是铂和/或铑。

3、如权利要求1所说的基于球弧蜂窝板的汽车尾气催化器，其特征在于球弧蜂窝板(2)的流道(3)直径选用2～5mm。

4、如权利要求1所说的基于球弧蜂窝板的汽车尾气催化器，其特征在于球弧蜂窝板(2)的厚度均匀，厚度与孔径之比为1～10，优先选用2～5。

5、如权利要求1所说的基于球弧蜂窝板的汽车尾气催化器，其特征在于催化器主载体段由锥形蜂窝片(4)组成，锥形蜂窝片(4)在主载体段的圆柱形外壳(6)内离散排列，并通过挡圈(7)固定，锥形蜂窝片(4)之间的间隙为0.5mm～2mm，锥形蜂窝片(4)的锥角不小于45度，厚度不超过5mm，锥形蜂窝片(4)有一宽度不超过5mm的边，并在锥顶处有一圆弧过渡段，锥形蜂窝片(4)的流道(5)方向与锥面和球弧表面垂直。

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