NO172508B - Diffusor for katalytiske omformingssystemer - Google Patents

Description

Denne oppfinnelsen angår diffusorer for katalysator-konvertering.

Diffusorer er velkjente. Webster<*>s New Collegiate Dictionary (1981) definerer diffusor som en innretning for reduksjon av hastigheten og økning av det statiske trykket til et fluidum som strømmer gjennom et system. Den foreliggende oppfinnelsen omfatter de mest vanlige av diffusorer, nemlig de som har et strømningstverrsnitt ved innløpet som er mindre enn strømningstverrsnittet ved utløpet. Selv om en diffusor kan brukes til det spesielle formålet å redusere hastigheten av strømningen eller å øke trykket i fluidumet, blir de ofte brukt helt enkelt på grunn av fysiske krav om å øke strømningstverrsnittet til en strømningsleder, slik som ved sammenkobling av rør med forskjellige diametere.

Brukt heretter i denne beskrivelsen og vedlagte krav, skal "diffusor" bety en strømningsleder for fluidum som har et strømningstverrsnitt ved innløpet som er mindre enn strømningstverrsnittet ved utløpet, og som bevirker en minskning av hastigheten til fluidumet i hovedstrømretningen og en økning av dets statiske trykk.

Fra US-PS 3.174.282 er det kjent ei dyse for en jetmotor, med bølgeformet kant. Men denne løsningen har ikke latt seg tilpasse for bruk ved katalytiske konvertersystem. Fra DE-OS 28 43 365 er det kjent et konvertersystem som angitt i innledningen til patentkrav 1. Her blir det brukt en sylindrisk utløpskanal og en elliptisk mottakskanal, hvor et forbindelsesrør har to sideveis innbuktninger. Disse innbuktningene skal gi et kort innløpsrør og sikre jevn fordeling av gasstrømmen. De muliggjør imidlertid ikke økning av diffusorens veggvinkel.

Dersom diffusorens vegg danner for stor vinkel med hovedstrømretningen kan det oppstå todimensjonal separasjon av grensesjikt i strømningen som i denne sammenheng betyr at hovedstrømningen bryter løs fra overflaten, noe som resulterer i en strømning nær veggen som beveger seg i motsatt retning av hovedstrømretningen. Slik separasjon medfører store tap, forsinket gjenoppbygging av trykket, og mindre hastighetsreduksjon. Når dette skjer, sier man at diffusoren "staller". "Stalling" vil inntreffe i dif f usorecnår bevegelsesmengden i grensesjiktet ikke lenger overkommer trykkøkningen som oppstår ved bevegelse i strømnings-

retningen langs veggen, og som faktisk snur strømningen nær veggen i motsatt retning. Fra nå av, kan ikke grensesjiktet ved veggen henge fast i veggen, og et separasjonsområde blir dannet.

For å forhindre "stalling" kan lengden på diffusoren økes slik at dif fusorvinkelen blir mindre, men i noen anvendelser er dette ikke praktisk mulig pga. plass eller vektbegrensninger f.eks., og vil derfor ikke løse problemet under alle omstendigheter. Det er derfor svært ønskelig å kunne spre strømningen raskere (ved å bruke kortere strekning) uten "stalling", eller spre strømningen til et større tverrsnitt med en gitt dif fusorlengde enn det som er mulig med diffusorer som inntil nå er kjente. Kjente diffusorer kan være enten to eller tredimensjonale. Todimensjonale diffusorer vil være firkantede med to motstående sider som er parallelle, og to motstående sider som skrår fra hverandre i retning mot diffusorutgangen. Koniske og ringformede difusorer blir av og til kalt todimensjonale. Ringformede diffusorer blir ofte brukt i gassturbiner. En tredimensjonal diffusor kan f.eks. være firkantet hvor begge par av motstående sider skråner fra hverandre.

En anvendelse av en diffusor er i et katalytisk

konvertersystem for personbiler, lastebiler o.l. Konverteren blir brukt til å redusere eksos-utslipp (nitrøse oksider) og til å oksidere karbon monoksider og uforbrente hydrokarboner. Katalysatoren som nyttes er for tiden av platina. Fordi platina er så kostbart er det viktig å utnytte det effektivt, som betyr å avdekke et stort overflateareal av platina overfor gassene og gjøre kontakttiden tilstrekkelig lang til å få en god virkning med den minst mulige mengde katalysatormateriale. Eksosgassene blir ledet til konverteren i et sylindrisk rør eller en strømningsleder som

har et tverrsnittsareal for strømningen på ca. 16-32 cm 2. Katalysatoren (i form av en platinadekket keramisk monolitt eller en seng med belagte keramiske pellets) blir plassert inne i en strømningsleder som har, f.eks., et elliptisktverrsnittsareal som er fra to til fire ganger større enn tverrsnittsarealet til det sirkulære innløpsrøret. Innløpsrøret og strømningslederen som inneholder katalysatoren, er sammenføyd med en diffusordel som danner overgang fra sirkulært til elliptisk tverrsnitt. På grunn av plassbegrensning er denne dif fusordelen svært kort, og dens halve divergeringsvinkel kan bli så stor som 45°. Etter som strømningen ikke lenger henger fast til veggen når halv-vinkelen overstiger ca. 7°, vil eksosstrømningen fra innløpsrøret ha tendens til å forbli sylindrisk, og for det meste treffe bare en liten del av det elliptiske innløpstverrsnittet til katalysatoren. På grunn av denne dårlige utvidelsen av strømningstverrsnittet innenfor diffusordelen, blir det en ujevn strømning gjennom katalysatorsenga. Disse

problemene blir omtalt i en artikkel med tittel "Visualization of Automotive Catalytic Converter Internal Flows" by Daniel W.Wendland and William R.Matthes, SAE Paper No.861554 presentert på International Fuels and Lubricants Meeting and Expositional, Philadelphia, Pennsylvania, 6-9 oktober 1986. Det er sterkt ønskelig å kunne få til bedre diffusorvirkning i strømningen innenfor slike korte dif fusorlengder for å kunne utnytte platinakatalysatoren mer effektivt og dermed redusere den nødvendige mengde av katalysatormater iale.

Kort beskrivelse av tegningene.

Fig. 1 er en forenklet snitt-tegning av en todimensjonal diffusor utført i samsvar med oppfinnelsen

Fig. 2 viser diffusoren i fig. 1 i snitt 2-2.

Fig. 3 er en forenklet snitt-tegning av en tredimensjonal diffusor utført i samsvar med oppfinnelsen.

Fig. 4 viser snitt 3-3 av fig. 3.

Fig. 5 er en forenklet snitt-tegning av en aksesymmetrisk diffusor utført i samsvar med oppfinnelsen.

Fig. 6 viser snitt 6-6 av fig. 5.

Fig. 7 er en forenklet snitt-tegning av en ringformet, aksesymmetrisk diffusor, utført i samsvar med oppfinnelsen.

Fig. 8 viser delvis snitt av fig. 7.

Fig. 9 viser en snitt-tegning av en trinndiffusor utført i samsvar med oppfinnelsen.

Fig. 10 viser snitt 10-10 av fig. 9.

Fig.11 er en skjematisk snittskisse som viser et apparat brukt til å teste en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. Fig.12 er en skisse tatt langs linjen 12-12 i fig. 11. Fig.13 er en skjematisk skisse som viser et apparat brukt til å teste en annen utførelsesform av den foreliggende oppfinnelsen. Fig.14 er en skisse tatt langs linjen 14-14 i fig.13. Fig.15 og 17 er skjematiske snittskisser som viser apparater til testing av konstruksjoner av kjent teknikk for sammenligningsformål. Fig.16 er en skisse tatt langs linjen 16-16 i fig.15. Fig.18 er en skisse tatt langs linjen 18-18 i fig.17. Fig.19 er et diagram som viser resultatene av testene for utførelsesformen vist i figurene 11 og 12 såvel som av kjent teknikk. Fig.20 er en perspektivskisse av et katalytisk konvertersystem i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen. Fig.21 er en snittskisse tatt langs retningen 21-21 i fig.20. Fig.22 er en skisse tatt i retningen 22-22 i fig.21. Figurer 23-35 er grafer for sammenlikning av ytelseskoeffisientene til den foreliggende oppfinnelsen i utførelsesformene på fig.13 og 14 med tidligere kjente konstruksjoner fra kjent teknikk vist i fig.15-18. Fig.26 er en illustrerende snittskisse av en alternativ konstruksjon av en katalysator-konverter i samsvar med oppf innelsen.

Beste praktiske utførelse av oppfinnelsen.

På fig. 1-2 er vist en forbedret diffusor 100. Denne utførelsen er en todimensjonal diffusor. Fluidum som strømmer i hovedstrømretningen indikert av pil 102, kommer til innløpet 104 gjennom en passasje 106. Diffusoren 100 består av to parallelle sidevegger 108, og en øvre og nedre vegg 110, 112 som skråner fra hverandre. Referansenummeret til utløpet av diffusoren er 114. Veggene 110, 112 er flate på den første strekningen 116. Disse flate delene skråner ut fra hovedstrømretningen med en vinkel som her betegnes med bokstaven y. Den gjenværende lengde 122 av diffusorveggene 110, 112 er bølgeformet med fordypninger 118 og forhøyninger 120 som strekker seg langs sttømningsretningen. Forhøyningene og fordypningene har tilnærmet U-formet tverrsnitt og føyer seg sammen i lengderetningen for å danne en jevn bølgekontur i tverrsnittet av diffusorutløpet 114. Fordypningene og forhøyningene danner dermed en bølgeformet overflate som omfatter den ytterste delen 122 av diffusoren 100. I denne utførelsen har fordypningene og forhøyningene også en jevn overgang til den flate første delen 116, og øker i dybde eller høyde mot utløpet 114 til en endelig bølgehøyde (dybde av fordypning) Z. Selv om det ikke er tilfelle i denne utførelsen kan det være fordelaktig at fordypningens sidevegger er parallelle. (Se fig. 6). Et krav til utformingen av fordypningene og forhøyningene vil være at deres størrelse og orientering er slik at diffusorens totale tverrsnittsareal fortsetter å øke fra dens innløp til utløp. For å lette forklaringen kan man anta at hvis det flate veggpartiet 116 ble forlenget til utløpet med den samme skråningsvinkel y, ville diffusoren få et utløpsareal A , men da med stalling like nedenfor det tverrsnittsplan der den bølgende overflata begynner. I denne utførelsen vil bølgeformen forhindre slik stalling uten forandring av utløpsarelalet Aq. Bunnen av fordypningene vil befinne seg på den ene side av den innbilte forlengelsen av veggpartiet 116, og toppene av forhøyningene på den andre slik at man oppnår det samme utløpsarealet Aq.

Det er selvsagt mulig, avhengig av startvinkel y, tillatt lengde av diffursoen, og form og størrelse på fordypninger og forhøyninger å lage et enda større utløpsareal enn Aq. Størrelsen på utløpsarealet kan man velge, avhengig av behov, begrensningene i oppfinnelsen, og alle andre krav til systemet.

Heretter, i dette skriv, vil "grenselinja for effektivt utløpsareal", være definert som en jevn ikke bølgeformet imaginær kontur i diffusorens utløpsplan 114, som ved å skjære gjennom fordypningene og forhøyningene definerer eller omringer et tverrsnittsareal som er det samme som diffusorens virkelig tverrsnittsareal ved utløpet. I utførelsen i fig. 1-2 er det to slike linjer; de stiplede linjene med referansetallene 130 og 140. I tillegg har man den "effektive diffusorvinkel" E for den bølgeformede flata som er vinkelen mellom a) en rett linje som forbinder dif fusorveggen ved begynnelsen av det bølgeformede parti med grenselinja for effktivt utløpsareal og b) hovedstrømretningen. I samsvar med oppfinnelsen er det mulig å formgi og dimensjonere forhøyninger og fordypninger slik at todimensjonal separasjon av grensesjikt ikke vil forekomme ved effektive diffusorvinkler som er større enn det som ellers ville være mulig med den samme diffusorlengde. I samsvar med oppfinnelsen tillater bølgeformen på diffusorveggene at diffusoren blir konstruert med enten større arealforhold for den samme diffusorlengde eller kortere diffusorlengder for det samme arealforhold.

Ved konstruksjon av en diffusor i samsvar med oppfinnelsen, må fordypninger og forhøyninger starte før det punktet hvor grensesjiktet ellers er antatt å separere fra veggene. Man kunne selvsagt la disse strekke seg over hele diffusorlengden, selv om dette ikke vil være nødvendig. Selv om man i denne utførelsen, i fig. 1 og 2, har forhøyninger som i form og størrelse er identiske med fordypningene (bortsett fra at de er omsnudd), så vil dette ikke være noe krav. Det er heller ikke noe krav at nobofordypninger (eller forhøyninger) skal være like. For å kunne hindre separasjon av grensesjikt, antar man at maksimumsdybden av fordypningene (topp til bunnverdi Z) vil måtte være minst det dobbelte av 99%-grensesjiktets tykkelse ved begynnelsen av fordypningene. Det blir antatt at man oppnår best resultat ved at den største bølgehøyden Z er ca. lik tykkelsen av separasjonsområdet (vinkelrett på hovedstrømretningen, og på dif fusorveggen) som ville ha oppstått uten bølgeformen. Dersom X er avstanden mellomnærliggende fordypninger ("bølgelengde") der bølgehøyden Z er størst (vanligvis ved diffusorutløpet) vil det være å foretrekke at forholdet mellom X og Z ikke er større enn ca. 4.0 og ikke mindre enn ca. 0.5. Dersom Z er for liten og eller X er for stor i forhold til dette vil stalling bare bli forsinket og ikke eliminert. På den annen side, hvis Z er for stor i forhold til X og/eller fordypningene er for smale kan viskositetstapene komme til å oppveie det man har vunnet ved oppfinnelsen. Oppfinnelsen er ment å omfatte fordypniner og forhøyninger av en slik størrelse at de medfører fordeler framfor kjent teknikk.

Fig. 11 og 12 er skisser av utstyr som ble brukt til å teste en utførelsesform av oppfinnelsen lik den som er vist i fig.l og 2. Utstyret besto av en innløpsdel 600 med en høyde H på 13,7 cm og en bredde W på 53,6 cm. Innløpsdelen 600 ble etterfulgt av diffusordel 602 med et innløp 604 og et utløp 606. Sideveggene 608 var parallelle. Den øvre og den nedre veggen på diffusordelen 610, 612 var hengslet ved 616, henholdsvis 618, til nedstrømsenden av den øvre og nedre av de flate, parallelle veggene 619, 621 til innløpsdelen 600. hver vegg 610, 612 omfattet en flat oppstrømsdel 613, henholdsvis 615, med lengde L lik 5,6

cm, og en bølgeformet del med lengde L2 lik 71,9 cm. De stiplete linjene 620, 622 i fig.11 representerer et imaginert plan slik at strømningsarealet til fordypningene på den ene siden av planet er like stort som tversnittet til i toppene på den andre siden. Med andre ord, vinkelen 6- mellom hovedstrømretningen og hvert plan 620, 622 er den gjennomsnittlige eller effektive diffusor halv-vinkelen til

diffusoren med bølgeformet vegg. I denne testen var planene 620, 622 parallelle med sine respektive oppstrømsrettede veggdeler 613, 615, selv om dette ikke utgjør noen nødvendighet i oppfinnelsen. Vinkelen 8 ble variert fra test til test, for derved å forandre diffusorens forhold mellom utløps og innløpstverrsnittsareal Aq/A^.

Utformingen med fordypninger og topper og målene til testeapparaturen blir best forklart med å henvise til fig.12. Hver fordypning hadde hovedsaklige parallelle sidevegger med mellomrom B på 4,1 cm. Toppene hadde l,66ganger så stor bredde som fordypningen (målet A var 6,8 cm). Slik blir bølgelengden (A+B) 10,lem, og denne var konstant over hele lengden av den bølgeformete flata. Bølgeamplituden Z ved nedstrømsenden av den bølgeformete flata var 12,2 cm og denne ble gradvis mindre i oppstrømsretningen helt ned til 9.

Selv om den ikke er vist i tegningen, ble det også testet, for sammenligningsformål en todimensjonal diffusor med plane vegger som hadde en lengde lik summen av L og

V

Fig.19 er et diagram med testresultatene for både den todimensjonale diffusoren med plane vegger og den todimensjonale diffusoren med bølgeformete vegger. Yteleskoeffisienten C P er avsatt langs den vertikale

aksen. Forholdet mellom utløps og innløpsareal er avsatt langs den horisontale aksen. Ytelseskoefisienten er definert slik:

Der Pq er det statiske trykket ved diffusorutløpeter

det statiske trykket ved dif fusorinnløpet, r er tettheten av fluidumet, og V^ er fludumhastigheten ved di ffusorinnløpet.

I disse testene var fluidumet luft og vinkelen 0 ble variert mellom to 2°og 10° for diffusoren med plane vegger og for diffusoren med bølgeformete vegger. Som vist i diagrammet, har diffusoren med plane vegger bedre ytelse enn diffusoren med bølgeformete vegger opptil en vinkel på ca.6°. utformingen med bølgeformet vegg har vesentlig lavere gjenvinning av statisk trykk ved de små divergensvinklene på grunn av økningen i overflatearealet til systemet, og ikke på grunn av at den mislyktes med å forhindre grensesjikt-separasjon. Grensesjiktseparasjon ved den plane veggen inntreffer ved en vinkel på ca.6°. Ved dette punktet begynner ytelseskoeff isienten C Pfor den plane veggen å avta. For utformingen med bølgeformet vegg forsetter ytelseskoefisienten å stige ved passering av 6° opptil envinkel på 8°. Ved større vinkler inntreffer separasjon, som indikert ved minskningen av ytelseskoefisienten. Testresultatene indikerer derfor at utformingen med bølgeformet vegg forsinker separasjon med 2° i forhold til utformingen med plan vegg. Selv om den maksimale Cp forblir den samme for begge utformingene (ca.0,58), resulterer den bølgeformete utformingen i et 19 prosent større utløpsareal før det inntreffer separasjon. Derfor, etter kontinuitetslikningen, resulterer det 19 prosent større arealet i en gjennomsnittlig diffusor-utløpshastighet som er 19 prosent mindre enn den som oppnås med utformingen med plane vegger. Dette er en vesentlig reduksjon i hast ighet.

Fra disse resultatene kan en trekke den konklusjonen at den foreliggende oppfinnelsen er svært nyttig ved større diffusorvinkler hvor grensesjikt-separasjon er et problem. Legg imidlertid merke til at i denne spesielle testen inntreffer separasjon i diffusoren med plane vegger ved et arealforhold hvor C bare såvidt øker med økende

P

arealforhold. Dersom separasjon i en diffusor med plane vegger inntreffer ved et arealforhold hvor C pøker hurtig med økende arealforhold, så vil en liten økning i arealforholdet uten separasjon resultere i en vesentlig focbedring i Cp såvel som en hastighetsreduksjon. Det bør cgså påpekes at størrelsen og formen av fordypningene og

toppene som ble brukt i denne testen ikke var optimale. Det ble bare brukt en enkel utforming ved hele testen. Andre utforminger av bølgeformen kan resultere i forbedret ytelse ved de mindre divergensvinklene uten nødvendigvis å forminske ytelsen ved de høyere divergensvinklene.

En tredimensjonal diffusor 200 i samsvar med oppfinnelsen er vist i fig. 3 og 4. Innløpspassasjen 202 har konstant rektangulært tverrsnitt over sin lengde. Ved diffusorinnløpet, skråner øvre og nedre vegg, hhv. 206 og 208 fra hovedstrømretningen med vinkelen y, og sideveggene 212, 214 skråner også ut fra hovedstrømretningen med den samme vinkelen. Veggene 206, 208, 212 og 214 er flate fra diffusorinnløpet et stykke D, men blir så formet til mange sammenhengende, vekslende fordypninger 216 og forhøyninger 218, som strekker seg i strømretningen helt til diffusorutløpet 220. Bølgeflåtenes øverste ender danner en jevn overgang til de flate veggpartiene 206, 208, 212, 214. Fordypningene øker gradvis i dybde i strømretningen fra null til en maskimumsdybde ved diffusorutløpet 220. Bølgeflatene som blir dannet av fordypningene og forhøyningene avsluttes ved utløpet som en jevn bølgekontur.

Fig. 5 og 6 viser en aksesymmetrisk diffusor utført i samsvar med oppfinnelsen her betegnet med referansetallet 300. Diffusoren har en akse 302. en sylindrisk innløps-passasje 304, og diffusordel 306. Innløpet til diffusoren er betegnet 308, og utløpet 310. En oppstrømsdel 316 av diffusordelen 306 er ganske enkelt en buet omdreiningsflate om aksen 302, som har tangentiell overgang til veggen 314 ved innløpet 308. Den gjenstående nedstrømsdelen 318 er en bølgende flate med, langs periferien fordelte, sammenhengende fordypninger og forhøyninger, hhv. 320 og 322, som starter ved og danner en jevn overgang til nedstrømsenden av diffusordelen 316, og strekker seg nedstrøms til utløpet 310. I denne utførelsen er sideveggene 323 i hver fordypning parallelle. Grenselinja for effektivt diffusorutløp er betegnet med referansetallet 324 som definerer en sirkelflate med det samme arealet som tverrsnittsarealet av diffusorutløpet 310. Den effektive dif fusorvinkelen E er vist i fig. 5.

Forutsatt at det ikke vil forekomme separasjon av grensesjikt langs overflata av oppstrømsdelen 316 av diffusoren, vil fordypningene og forhøyningene tillate større spredning enn ellers mulig for den samme aksiale lengde av en diffusor av tidligere kjent type, slik som om nedstrømsdelen 318 av diffusoren var en del av en kjegleflate eller en annen omdreiningsflate om aksen 302.

For å dimensjonere fordypninger og forhøyninger etter de retningslinjer som her er blitt gitt for de todimensjonale diffusorene i fig. 1 og 2 blir bølgehøyden Z målt langs en radius, og bølgelengden X vil være en gjennomsnittsverdi av buelengden fra topp til topp langsbuen med størst mulig radius og tilsvarende buelengde med minst mulig radius.

I fig. 7 er vist en ringformet aksesymmetrisk diffusor med referansetallet 400. Diffusorens innløpsplan er betegnet 402, og utløpsplanet 404. Konsentriske, sylinderformede indre og ytre veggflater 408, 410 på oppstrømssiden av diffusorens innløpsplan definerer en ringformet strømnings-passasje 409 som leder fluidum inn i diffusoren. Diffusorens indre vegg 412 er en omdreiningsflate om aksen 411. Diffusorens ytre vegg 414 består av en oppstrømsdel 416 og en nedstrømsdel 418. Oppstrømsdelen 416 er en omdreingings-flate om aksen 411. I samsvar med oppfinnelsen er nedstrøms-delen 418 en bølgende flate som består vekselvis av forhøyninger 420 og fordypninger 422, som strekker seg nedstrøms og er hovedsaklig U-formede i et tverrsnitt tatt vinkelrett på hovedstrømretningen. Veggene i fordypningene og forhøyningene danner jevne overganger langs lengderetningnen og skaper en bølgende overflate langs hele diffusotomkretsen. Den jevne bølgeformen som den ytre veggen har ved diffusorutløpet kan sees på fig. 8.

I utførelsen vist i fig. 9 og 10, vil en passasje med konstant diameter 498 lede fluidum til en diffusor 500, som har et innløp 502, (i planet 503), og et utløp 504 (i planet 505). Innløpet 502 har en første diameter og utløpet 504 har en andre diameter større enn den første diameteren. En trinnforandring i passasjens tverrsnittsareal finner sted i planet 506, og passasjen fortsetter deretter å øke sin diameter til utløpet 504. Diameteren forblir konstant nedstrøms for planet 505. Diffusorveggen 508 oppstrøms for planet 506, har mange fordypninger og forhøyninger, hhv. 510, 512 fordelt langs omkretsen, og som strekker seg i lengderetningen nedstrøms, og som øker i dybde og høyde til en maksimum "amplitude" Z ved planet 506. Fordypnignene er formgitt og dimensjonert slik at de blir fylt opp av strømningen. Strømningen vil dermed forbli i kontakt med veggen 508 fram til planet 506. Det vil oppstå en del tap i planet 506 og like nedenfor dette pga. diskontinuiteten, men fordypningene og forhøyningene skaper et strømningsmønsterlike forbi plan 506, som reduserer slikt tap betydelig, sannsynligvis ved å retningsstyre strømmen radielt utover på en mer hurtig måte enn det som ellers ville skje ved en slik diskontinuitet. Strømningen vil igjen, en kort avstand nedstrøms fra diskontinuiteten, feste seg til diffusorveggen 514 (som har en liten diffusorvinkel) og forblir festet til veggen fram til diffusorutløpet 504.

Som beskrevet i U.S. -Patentsøknad No 947.164, blir det antatt at hver fordypning skaper en enkelt aksiell virvel i "stort format" fra hver av fordypningens sidevegger, ved utløpet av fordypningene. Med "stort format" menes at virvlene har en diameter av omtrent samme størrelse som den gjennomsnittlige dybden av fordypingene. Disse to virvlene (en fra hver sidevegg) roterer i motsatt retning og skaper et strømingsfelt som prøver å få fluidum fra fordypningen og også fra den nærliggende hovedstrømningen til å bevege seg radialt utover inn i "hjørnet" som er skapt av trinnforandringen i strømningspassasjens tverrsnittsareal. Den netto virkningen av disse fenomenene reduserer størrelsen av lavtrykksområdet eller stagnasjonssonen i hjørnet. Strømningen fester seg på denne måten av seg selv til veggen 514 i en kortere avstand nedstrøms fra planet 506 enn det som ellers ville forekomme, hvis, for.eks, difusordelen mellom planene 503 og 506 bare var enkle, glattveggete og koniske i sin utforming.

For at virvelen som utgår fra sidekanten til et utløp ikke skal inteferere med en motroterende virvel som slipper ut fra sidekanten til fordypningen ved siden av, er det nødvendig at sidekantene til utløpet av nabofordypninger er adskilt med et mellomrom som er tilstrekkelig stort. Generelt bør arealprojeksjonen i hovedstrømretningen av det faste materialet mellom sidekantene til nabofordypninger være minst en fjerdedel av det projiserte arealet i hovedstrømretningen til en fordypning.

Videre blir det antatt at de beste resultatene oppnåsnår sideveggenes overflater ved utløpet er bratte. Fortrinnsvis, i et tverrsnitt vinkelrett på strømningsretningen, som er fordypningenes lengderetning bør linjer som tangerer punktene der sidekantene er brattest danne en mellomliggende vinkel C (vist for henvisningsformål i fig.2) som ikke er større enn ca.120°. Jo nærmere vinkelen C er til 0° jo bedre. I utførelsesformen i fig.6, 8 og 10, såvel som i utførelsesformen i fig.14, er den mellomliggende vinkelen stort sett 0°.

En todimensjonal diffusor, med en trinnovergang, med trekk som den aksesymetriske trinndifusoren i fig.9 og 10 ble testet med utstyr som er vist skjematisk i fig.13 og 14. prøvene ble gjennomført med luft som arbeidsfluidum. Hovedstrømretningen eller nedstrømsretningen er vist ved pilene 700. Bølgeformete diffusordeler 702 ble innlemmet i kanalveggen og hadde sine utløp i planet 704 som er et diskontinuitetsplan, hvor høyden på kanalen plutselig øker. Toppene 706 av forhøyningene var parallelle med nedstrømsretningen 700 og innrettet i retningen til veggene av innløpsdelen 707. Bunnene 708 av fordypningene dannet en vinkel på 20° med nedstrømsretningen. Topp til topp bølgeamplityde T var 2,54 cm. bølgeøengden Q var 2,8 cm. Radius i fordypningene R^^ var 0,8 cm og krumnningsradien til forhøyningene R2 var 0,44 cm. Sideveggene i

fordypningene var parallelle med hverandre.

I denne testen ble høyden J av den rektangulære strømninglederdelen nedstrøms av planet 704 variert mellom 19,0 cm og 24,1 cm. Høyden H til innløpsdelen var fast på 13,7 cm. Bredden V av st rømnings lederen var konstant 53,6 cm over hele lengden. Lengden K av den bølgeformete difusordelen var 9,5 cm.

For sammenligningsformål ble testutsyret også kjørt uten diffusor-overgangsdel oppstrøms for

diskontinuitetsplanet 704. Denne utformingen av testen er vist i fig.15 og 16. Også, som vist i fig.17 og 18, ble testen kjørt med en diffusordel med en enkelt rett eller plan vegg, umiddelbart oppstrøms for planet 704. denne rettedifusordelen hadde en diffusor halv-vinkel på 20° og lengden K var den samme som for den bølgeformete diffusordelen.

For hver verdi av høyden J som ble testet ble avstanden nedstrøms for planet 704 til der hvor strømningen på nytt festet seg selv til kanalveggen målt. Denne avstanden er betegnet G'' for testutformingen i fig.13, som er den foreliggende oppfinnelsen; G for testutformingen vist i fig.15; og G' for testutformingen vist i fig.17. For sammenlikning av resultatene av disse målingene henvises det til den følgende tabellen hvor alle data er i cm.

Tabell:

Målinger av avstand for gjenoppretting av laminær strømning.

Størrelsene G og G" ble bestemt ved å observere strømningsretningene til dusker i tilknytning til difusorveggene og dette ble registrert sålenge testen varte. Verdiene for G' er estimater oppnådd på grunnlag av testene for å skaffe data for ytelseskoeff isienten og sammenhold ing av strømningsmønster for duskene. Tabellen viser at den bølgeformete utformingen (G" data) resulterte i det korteste separasjonsområdet, og derfor førte til et forbedret strømningsmønster i forhold til utformingene enten i fig.15 og 16 eller i fig.17 og 18.

Målinger ble også foretatt i løpet av disse prøvene for å gjøre det mulig å beregne ytelseskoefisienten P cfor hver forskjellig høyde J av strømningskanalen. Resultater fra disse målingen er framstilt i grafene i fig.23-25, hvor den vertikale aksen representerer ytelseskoefisienten, og den horisontale aksen representerer forholdet mellom utløpsareal og innløpsareal (J/H). Grafen i fig.23 viser resultater målt i en avstand på 2H nedstrøms for planet 704; grafen i fig.24 viser resultater 3H nedstrøms for planet 704; og fig.25 viser resultater målt 4,6H nedstrøms. Resultatene for hver enekelt utforming av veggen (d.v.s. ingen diffusordel oppstrøms for planet 704, eller utforming A; diffusordel med rett plan vegg, eller utforming B; og bølgeformet diffusordel, eller utforming C) er vist i hver graf.

Den utformingen som gir dårligst virkningsgrad i alle tilfeller er utformingen A (Fig.15 og 16). Den nest beste utformingen er diffusordelen med rette vegger (utforming B) vist i fig.17 og 18. Utformingen med høyest virkninggrad i alle tilfeller er den bølgeformete konstruksjonen i samsvar med oppfinnelsen, vist i fig.13 og 14. Legg merke til at ved 4,6H nedstrøms (fig.25) nærmet alle utformingene seg sine maksimumsverdier av C . På dette stedet, og avhengig av forholdet mellom utløps og innløpsareal varierte den prosentvise forbedringen i C pfor oppfinnelsen mellom 17 prosent og 38 prosent relativt til utformingen A (ingen diffusor) og mellom 13 prosent og 19 prosent i forhold til utforming B (diffusor med rette vegger). Figurer 20-22 viser et katalytisk konvertersystem slik som for en bil, som gjør bruk av den foreliggende oppfinnelsen. Konvertersystemet har det generelle henvisningstallet 800. Konvertersystemet 800 omfatter et sylindrisk tilførselsrør for gass 802, et mottaksrør for gass med elliptisk tverrsnitt 804, og en diffusor 806 som utgjør en overgangskanal eller strømningsleder mellom disse. Diffusoren 806 strekker seg fra utløpet 808, med sirkulært tverrsnitt, av tilførselsrøret til innløpet 810 av det elliptiske mottaksrøret. Mottaksrøret inneholder senga med katalysatoramateriale. Katalysatoren er et monolittisk stykke med utforming som vokskaken i en bikube, med vokskakecellene parallellt med nestrømsretningen. Innløpsflata til monolitten befinner seg ved innløpet 810, den kan imidlertid være flyttet videre nedstrøms for å tillate en ytterligere diffusoravstand mellom utløpet av fordypningene og katalysatoren. Katalysatorer forkatalytiske konvertere er velkjente. Utforminga av katalysatoren er ikke en del av denne oppfinnelsen.

Som det framgår best i fig.22, foregår utvidelsen av strømningen, i denne utførelsesformen bare i retningen til den lengste ellipseaksen. Den korte elipseaksen forblir en konstant lengde lik diameteren til tilførselsrøret 808. På en måte er diffusoren 806 i denne utførelsesformen i virkeligheten en todimensjonal difusor. Det er en trinnforandring av diffusorens tverrsnittsareal ved planet 812. Diffusorveggen 814 oppstrøms for planet 812 omfatter flere U-formete vekslende fordypninger 816 og forhøyninger 818 som er føyd sammen og strekker seg nedstrøms, som derved danner en glatt bølgende overflate. Fordypningene starter i utløpsplanet 808 med null dybde og øker gradvis i dybde til et maksimum ved sine utløp ved planet 812, hvor de danner en bølgeformet kant i planet 812, som best vises i fig.22. Forhøyningene 818 er parallelle med nedstrømsretningen og hovedsaklig innrettet langs retningen til den indre overflata av tilføreslsrøret, selv om dette ikke er et krav for den foreliggende oppfinnelsen. Etter som utvidelse av strømningstverrsnittet inntreffer bare i retningen til den lengste elipseaksen 820 for det elliptiske innløpstverrsnittet 810, er dybdeutstrekningen av fordypningene laget hovedsaklig parallelle med den aksen. Profilen og størrelsen av fordypningene og toppene er valgt for å forhindre enhver todimensjonal grensesjiktseparasjon på deres overflate.

Som beskrevet i omtalen av kjent teknikk, har det ved katalytiske konvertere i automobi1 teknikken, vært et vesentlig problem å oppnå stor grad av diffusorvirkning over en kort avstand. Det er imidlertid kjent at strømningen ikke kan forbli laminær, d.v.s. henge fast til veggen i en glattvegget difusor når halv-vinklene blir større enn ca. 6°. Ved å bruke apparatene vist i fig.11 og 12, har prøver vist at det er mulig å unngå todimensjonal grensesjiktseparasjon opptil en helning av fordypningene S i fig.11) til ca.22°, som ved utformingen i testen, varekvivalent med en halv-vinkel for en glattvegget difusor (d.v.s. effektiv difusorvinkel) på ca.8,0°. Det antas at ved gunstige betingelser kan helningen av fordypningene økes enda mer uten at det forekommer grensesjiktseparasjon, men den effektive diffusorvinkelen kan sansynligvis ikke økes til mer enn ca.10°. I katalytisk konverter-anvendelsen vil en helning av fordypningene på mindre enn ca.5° sansynligvis ikke være i stand til å generere virvler med tilstrekkelig styrke til å ha betydelig innvirking på ytterligere diffusorvirkning nedstrøms av utløpet til fordypningene.

I denne katalytiske konverter-anvendelsen sørger den trinnvise økningen i tverrsnittsareal ved utløpet av fordypningene i planet 812 for et utvidelsesvolum for eksos-strømningen, før den kommer fram til katalysatorflata, som i denne utførelsesformen er ved utløpet 810. Avstanden mellom utløpet av fordypningene og katalysatorflata vil spille en viktig bestemmende rolle for hvor mye eksos-strømningen har utvidet seg når den rekker fram til katalysatoren. Den optimale avstanden vil avhenge av mange faktorer, inkludert mekaniske begrensinger påført av systemet selv. Det vil være nødvendig med en del eksprimentering for å oppnå optimale resultater. I alle fall burde den foreliggende oppfinnelsen gjøre det mulig å redusere den totale mengde av katalysatormateriale som er påkrevet.

I denne utførelsesformen har den ytre veggen 824 til diffusordelen nedstrøms for utløpet av fordypningene et økende elliptisk tverrsnittsareal for strømningen. Det ville sannsynligvis gjøre liten forskjell hvis veggen 824 hadde et konstant elliptisk strømningsareal lik det maksimale tverrsnittsarealet ved utløpet, fordi nær den store ellipseaksen, er det ikke rimelig at det forekommer oppretting av laminær strømning med vedheng til veggen selv med den utformingen som er vist. En slik veggutforming med konstant tverrsnitt er vist ved de stiplede linjene 826. I dette tilfellet vil diffusoren 806 kunne bli betraktet som avsluttet umiddelbart nedstrøms for planet 812 med utløpet av fordypningene, men katalysatorflata er fremdelesplassert nedstrøms for utløpet av fordypningene for å tillate eksosgassene å utvide seg på tvers av strømningsretningen før de kommer inn i katalysatoren.

I det katalytiske konvertersystemet i fig.20-22 har tilføreselsrøret for eksosgass sirkulært tverrsnitt og mottaksrøret 804 er elliptisk fordi dette er vanlig brukt i automobilindusttien. De kunne selvsagt begge være sirkulære, og konvertersystemet ville da likne mere på difusorsysteraet vist i fig.9 og 10. Den spesielle formen av tilførsels- og mottaksrør er ikke ment å skulle være begrensende for oppfinnelsen. I den viste utførelsen har tilførselsrøret 802 en diameter på 5,1 cm, lengden av diffusoren 806 er 8,1 cm, helningen av fordypningene 9 er 20°, lengden av fordypningene nestrøms er 4,1 cm og helningen til veggen 824 i området som omfatter den største ellipseaksen 820 er 38°. Hver fordypning 816 har en dybde d på ca.0,9 cm ved sine utløp og en hovedsaklig konstant bredde w på 0,6 cm langs sin lengde. Nabofordypninger har et mellomrom b på 1,3 cm ved utløpet. Avstanden fea utløpet av fordypningene til katalysatorflata ved diffusorutløpet 810 er 4,1 cm. Selv om den viste diffusoren, i utførelsen vist i fig.20-22, er en strømningsleder laget av en enkel metallplate, kunne den bli framstilt på andre måter. For eksempel kunne det bli laget en adapter til bruk sammen med katalytiske konvertere fra kjent teknikk med glattvegget difusordel. Adaptoren kunne bli innsatt i difusordelen fra kjent teknikk for å omdanne dens indre flate mot strømningen til å være eksakt lik strømningslederflata vist i fig.20-22. Et katalytisk konvertersystem 900 med en slik adapter 902 er vist i en snittskisse i fig.26.

Claims (5)

1. Katalytisk konvertersystem som omfatter et gass-tilførselsrør (802) med ét utløp (808) med et første tverrsnittsareal, et mottaksrør (804) med et innløp (810) med et andre tverrsnittsareal større enn det første, og plassert på avstand nedstrøms for utløpet (808) til tilførselsrøret, hvilket mottaksrør omslutter en katalysator, og med en mellomliggende strømningskanal som danner en diffusor (806), med ei strømningsflate som forbinder utløpet (808) av tilføselsrøret til innløpet (810) av mottaksrøret, hvor strømningsflata (814), omfatter et flertall av nedstrøms diffusjonsorgan, med stadig økning i dimensjon, karakterisert ved vekslende, sammenhengende, U-formete fordypninger og forhøyninger (816, 818) som danner en glatt bølgende del av strømningsflata (814), med en avslutning av den bølgeformete delen i en bølgeformet utløpskant, med en i og for seg kjent begynnelse av den bølgeformete delen med null høyde av fordypningene og toppene ved utløpet av innløpsrøret, og med økende høyde og dybde til et maksimum ved den bølgeformete utløpskanten, og at det ved den bølgeformete utløpskanten er en trinn-økning i tverrsnittsarealet av strømningskanalen (806).

2. Katalytisk konvertersystem i samsvar med krav 1, karakterisert ved at katalysatoren er en monolittisk konstruksjon.

3. Katalytisk konvertersystem i samsvar med krav 1, karakterisert ved at hver av fordypningene (816) har en bunn som strekker seg med lengderetningen nedstrøms, hvilken lengderetning av bunnen danner en vinkel med nedstrøms/hovedstrømsretningen som ikke er mindre enn ca. 5°.

4. Katalytisk konvertersystem i samsvar med krav 3, karakterisert ved at hver av forhøyningene (818) har en topp som strekker seg i lengderetningen nedstrøms, hvilken lengderetning av toppene er hovedsaklig parallell med nedstrøms-/hovedstrømretningen.

5. Katalytisk konvertersystem i samsvar med krav 3, karakterisert ved, at utløpet (808) av tilførselsrøret er sirkulært, at innløpet (810) av mottaksrøret er elliptisk og at dybderetningen til fordypningene (816) er hovedsaklig parallell med den største ellipseaksen i det elliptiske innløpet (810).