CN1116867A - 带有电加热装置的催化净化转换器 - Google Patents

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Abstract

一种带有电加热装置的催化净化转换器，其中包括一个壳体及至少一个设置在壳体中的、容许来自于内燃机的废气沿其流动方向通过的蜂窝体装置。该蜂窝体至少在部分区段可导电并被加热，在至少部分区段内设有催化剂活性层，蜂窝体装置被槽和/或电的不良导体区分成各个区段，使其上至少有两个沿气流方向首尾相接的电加热区段，其各自具有不同的轴向长度(LH1、LH2、LH3)和/或不同的电阻。

Description

带有电加热装置的催化净化转换器
本发明涉及的是一种带有电加热装置的催化净化转换器，其中包括一个壳体及至少一个设置在壳体中的、容许来自于内燃机的废气沿其流动方向通过的蜂窝体装置，该蜂窝体至少在部分区段可导电并被加热，在至少部分区段内设有催化剂活性层。
在US—PS5,146,743中公开了一种带有电加热装置的催化净化转换器。在WO92/02714中公开了一种改进的结构形式，本发明即是在该改进结构的基础上作出的。该结构对用在该带有电加热装置的催化净化转换器上的蜂窝体进行非均匀加热。因此，在WO92/13635中提出了在蜂窝体上采用带有槽或孔的金属箔片，以改善电流的分布。
尽管已知的带有电加热蜂窝体的结构适用于大部分情况，但在给定的不同边界条件下使用标准构件的条件下，就难于保证在具有机械稳定性的同时还能满足电动力或热动力学的要求。
实践表明，为了获得最佳的效果，必须使电加热式催化净化转换器适合于其各种汽车类型。首先，必须考虑在所给定的电流强度下获得最大的加热效果，而后要考虑在给定的供电电压(一般为8至12伏)下使蜂窝体必须达到其电阻。因为一个电加热式蜂窝体、如一个前催化净化器或一个主催化净化器应尽可能密闭地设置在一个非加热式催化净化转换器前面，所以电加热蜂窝体的直径应当与所给定的条件相匹配。另外，还取决于与被加热质量成一定比例的可利用的加热面，因而人们希望该比例可在较大的范围内变化。然而在已知结构中，当给定了电阻和直径时，这是难以做到的。特别是，人们希望在给定的边界条件下蜂窝体的轴向长度很小，但这将无法满足机械稳定性，特别是无法抵抗汽车上存在的振动。
因此，本发明的任务是提供一种带有电加热装置的催化净化转换器，该转换器可采用标准的尺寸，同时还能够在很大范围内适应于给定的边界条件。在此，加热面积相对于加热质量的比例应该是可以调整的，被加热面积与催化剂作用面积之比也可变化。
为实现上述目的而提供的该带有电加热装置的催化净化转换器包括一个壳体及至少一个设置在壳体中的、容许来自于内燃机的废气沿其流动方向通过的蜂窝体装置，该蜂窝体至少在部分区段可导电并被加热，在至少部分区段内设有催化剂活性层，其中，蜂窝体装置被槽和/或电的不良导体区分成各个区段，使其上至少有两个沿气流方向首尾相接的电加热区段，其各自具有不同的轴向长度和/或不同的电阻。本发明基于如下的事实，即催化剂反应在额定环境下仅在高于300至450℃左右时才进行。如果对一个较大的蜂窝体进行慢速加热，则开始在任何地方都不会产生催化剂反应。但如果对一个较小的加热体在一个轴向长度较小的区域内进行快速加热，则在此区域内很快就会产生催化剂反应。前提条件是，相对于处于冷启动阶段的、温度仍然较低的废气的导热率及质量流量，该区域的表面不太大。在该快速加热区内将产生放热反应，由此释放了在冷启动阶段存在于废气中的化学能量，用于加热催化净化转换器。在快速加热区内存入的电能及在此被转换的化学能将加热废气及催化净化转换器上紧接其后的区段，但从该加热区的端部起，温度又开始下降，这是因为催化净化转换器上接在后面的区段是起降低热量的作用的。因此，在经过该加热区段后的一小段区段内温度又降至300℃，因而催化剂反应不再进行。根据本发明，在该处还设置了另一个加热区段，用于将温度在此升到可使催化剂反应的范围。不过，在第一加热区段中必须将废气从例如150℃加热到450℃，而在第二加热区段中只需要将温度从例如300℃加热到450℃。由此可直接看出，第二加热区段中的电功率必须小于第一加热区段的电功率。因此，第二加热区段的电阻应高于第一加热区段，这可以通过采用其他的结构或通过缩短轴向长度来实现。
特别合理的方案是，第一电加热区段的轴向长度为第二电加热区段轴向长度的二至四倍。如果两区段的结构相同，则由此可将第二区段内的电阻值增加两至四倍。
为使蜂窝体装置获得所需要的机械强度，在两电加热区段之间至少设置一个非直接加热区段。为使该表面也可用于催化剂反应，该区段上涂敷有催化剂活性层。尽管该区段不直接加热，但其温度也随两直接电加热区升高，所以在该区段也发生催化剂反应。
为了严格地遵守环境保护法，要求催化剂转化过程较快，因此第一电加热区段的轴向长度、电阻、质量及其表面积应当保证，在给定的供电电压下，如8至12伏下，由内燃机排出的废气温度在冷启动阶段将在3至5秒内升至450℃。
如下面将借助于实施例进一步说明的，本发明的结构可在满足机械稳定性的前提下始终满足上述条件。
处于第一加热区段后面的非直接加热区段的长度、质量和表面积应保证，在内燃机冷启动阶段，在考虑在该区段中放热反应的前提下，对于以450℃温度进入该区段的气体在经过该区段后温度只降低约50至100℃。在该实施方案中，在这个完全不直接加热的区段中仍然很早地进行了催化剂反应由此降低了在冷启动阶段中产生的有害气体排放。
第二电加热区段的轴向长度、电阻、质量及其表面积应保证，在内燃机冷启动阶段，在给定的供电电压下，在考虑在该区段中放热反应的前提下，对于以400℃温度进入该区段的气体在经过该区段后温度只升高约50至150℃。
在第二电加热区段后面还可以接另一个带有催化剂活性层的区段，在此区段内同样可以提前进行催化剂反应。一般来说，还可以连接其他的电加热和非加热区段，其作用同于上面所说的相应的区段。当然，如果在整个蜂窝体中、即不仅在加热区而且在非加热区都涂上催化剂活性材料则更好。
原则上说，蜂窝体装置上的各区段可分别有一个特定的蜂窝体构成，它们首尾相接。不过作为本发明的最佳实施例，蜂窝体装置由一个单一的蜂窝体构成，该蜂窝体是由若干个制成一定形状的板组合而成，其上至少分成三个轴向上首尾相接的区段，即一个第一电加热区段、一个接在该段后的通过在板上设置若干槽使得至少在一个方向上不能导电从而不能直接加热的区段以及接在这一区段后的第二电加热区段。这种方案特别简单因而造价合理同时又具有足够的机械稳定性。此外，如已有技术中已知的，如果此处为完全阻至电流通过而设置的槽设置一个区段内，该槽与电压方向垂直或成一定角度，则板上处于槽之间的区段内没有电流通过。
在大多数已知电加热蜂窝体的结构中、如WO92/02714中所述的结构中，槽沿大致平行于气流方向或与气流方向有一锐角的方向延伸，由此使垂直于气流方向的电流不能通过。但该区段仍可保证轴向稳定性，因为该槽实际上并不影响稳定性。加热区段由此轴向稳定地相互连接，使蜂窝体即使在电加热区段轴向长度很短的情况下仍具有较高的轴向机械强度。为获得轴向稳定性，最合理的方案是使槽严格地平行于气流方向延伸，不过，在钢板弯曲特别是有波纹的情况下，槽的延伸方向略微偏离气流方向则更合理。
如以下将借助于实施例进一步说明的，对大多数使用情况，电加热区段的轴向长度为4至20mm，最好是6至16mm。其中，第一电加热区段的轴向长度为2至10mm，最好约6mm。蜂窝体装置上工作区段的直径(d)为75至105mm，最好为90mm。
为获得所需要的机械稳定性，蜂窝体装置的轴向总长为12至40mm，最好是25mm。
本发明不仅可采用一块块板组合成蜂窝体，也可以通过诸如用一个单一的板挤压成蜂窝体，该蜂窝体上分成轴向首尾相接的区段，其电阻沿气流方向逐渐增高。根据已知技术，可导电的蜂窝体由金属粉末或陶瓷与金属粉末通过挤压而制成，通过在各个区段中采用不同的金属与陶瓷粉末比例，使其获得不同的电阻。也可以通过对这种蜂窝体进行后续处理、如施加氧化或蚀刻工艺，从而可用简单的方法使各区段获得不同的电阻。
因此，一个挤压成形的蜂窝体也可以有三个首尾相接的区段即一个第一可导电并加热的区段、一个接在该区段之后的不良电导体因而不能直接加热的区段以及一个接在该区段之后的第二可导电并加热的区段。这些区段的作用同于前面所述的相应的区段。该挤压成形的蜂窝体在其良导体区段最好由金属材料构成，而在其非良导体区段内最好由陶瓷材料或孔隙率较高的金属材料构成。这样的蜂窝体也可由五个区段组成，其中或有三个或有两个直接电加热区段。
以下将借助于附图进一步介绍本发明的实施例，但本发明并不限于该实施例。图中表示：
图1为一纵向剖视图，其中表示了一个安装有本发明蜂窝体装置并在其后面直接安装有一个前催化净化转换器的汽车排气系统的一部分；
图2、3、4表示了在冷启动阶段进行加热时在各个轴向段中温度的分布状态(见图2)和本发明催化净化转换器的结构(见图3)以及一段用于本发明蜂窝体装置的特定的板(见图4)；
图5为一纵向剖视图，其中表示了具有三个区段的、挤压成形的蜂窝体的结构。
图1表示了一个汽车排气系统中的一段、也就是直接位于一个前置催化净化器6前方向的、部分区域可被电加热的蜂窝体结构10的纵向剖视图。废气沿气流流动方向经由一个进气扩压管1进入到蜂窝体装置10中。蜂窝体装置设置在壳体2中。接在壳体2后面有一个壳体3，其中设置有一个前催化净化器6。在蜂窝体10与前催化净化器6之间只有一个宽度为A的很小的间隙。在前催化净化器6后面连接着一个扩压管4。一个图中没有表示的主催化净化转换器设置在该扩管后面。蜂窝体10的直径为d，前催化净化器6的直径为D。图3中沿轴向公开表示了蜂窝体10的轴向长度LW和加热区段的长度LH1、LH2、LH3。
图3中表示了蜂窝体装置10的轴向剖视图，其中包括第一电加热区段11、接在其后的非加热区段12、接在非加热区段后的二次电加热区段13、接在该加热区段后的非加热区段14以及再次电加热区段15。不过，在本发明的一种更简单的方案中可包括较少的区段，其中，蜂窝体装置作为最前端的原盘，其上可有一个非加热或加热的区段。不过，最好加热区段设置在最前端。
图2表示了蜂窝体10中的温度分布在冷启动阶段但处于电加热的区段内时对应于图3的三维关系图。冷废气以例如150℃温度进入区段11中，并先加热到300℃。在该温度下，催化剂将产生放热反应，随后，即可由电能也可由化学能对废气进一步加热，使得温度继续升高直至约500℃或更高温度。在接在其后的非加热区段12中温度从500℃降到300℃，但仍处在催化反应所需要的温度之上，所以在整个区段12中催化反应仍然进行。在电加热区段13，温度再次升至500℃，而在其后的非加热区段14又被降到300℃。在电加热区段15，温度又升到500℃，随后在间隙5及前催化净化器6中又降到300℃。催化反应在整个长度LK、即从第一电加热区段11中部附近一直到前催化净化器6止进行。整个电加热长度LH跨过电加热区段11、13、15的三段长度LH1、LH2、LH3。人们不难理解，蜂窝体的长度LW在一定的区间内与加热区段的总长LH无关。此外，发生催化反应的长度LK大于加热区段的总长LH。
图4表示了一个与图3具有三维关系的、用于制造与WO92/02714中所述的结构相对应的蜂窝体装置10(其内容完全引用该文件)的长形板17，其上独特地带有槽16。若在该板17的端部(图中未示)加上电压，则电流仅在区段11、13、15中流动，而不经过区段12和14。因为所设的槽会阻止额定电流通过。薄板17即可以采用平板也可以采用波形板。槽16的具体结构和形状无关紧要只要它从总体上能够阻止垂直于气流方向的电流流过区段12和14即可。
图5示意地表示了一个挤压成形的蜂窝体装置20的结构，其上带有第一电加热区段21、非电加热区段22和电加热区段23。区段21是一个金属含量较高的部件，而区段22则是一个陶瓷含量较高的部件。一般地，在该蜂窝体挤压成形时，可通过交替地变换注入的金属量和陶瓷量使其电阻沿气流方向连续地增高，由此可同样有效地实现本发明的任务。
下表表示了如何使本发明蜂窝体标准化及各种参数的取值范围。表中涉及了WO92/02714中所示结构，并分栏表示了用于电功率750W、1000W、1500W、2000W及3000W的结构类型。具有三种不同直径、即76mm、86mm、96mm的蜂窝体装置按顺序分别对应于直径为80mm、90mm、100mm的前催化净化转换器。
   Nr. 单位  750W  1000W  1500W  2000W  3000W
    1 mmmmmmmmgm2层数弯折数cm3  D＝80d＝76LW＝17，5LH＝6，5m＝10FH＝0，0473V＝32  D＝80d＝76LW＝17，5LH＝8，5m＝13FH＝0，00573V＝42  D＝80d＝76LW＝17，5LH＝13m＝19FH＝0，0873V＝65  D＝80d＝76LW＝17，5LH＝17，5m＝26FH＝0，1173V＝88  D＝80d＝76LW＝26LH＝26m＝39FH＝0，1773V＝130
    2 mmmmmmmmgm2层数弯折数cm3  D＝90d＝86LW＝17，5LH＝6m＝13FH＝0，0694V＝38  D＝90d＝86LW＝17，5LH＝8，5m＝18FH＝0，0894V＝54  D＝90d＝86LW＝17，5LH＝14m＝30FH＝0，1394V＝89  D＝90d＝86LW＝17，5LH＝17，5m＝38FH＝0，1694V＝111  D＝90d＝86LW＝28LH＝28m＝60FH＝0，2694V＝178
    3 mmmmmmmmgm2层数弯折数cm3  D＝100d＝96LW＝17，5LH＝7m＝16，7FH＝0，0794V＝55  D＝100d＝96LW＝17，5LH＝10m＝24FH＝0，194V＝78，5  D＝100d＝96LW＝17，5LH＝14m＝33，5FH＝0，14194V＝110  D＝100d＝96LW＝20LH＝20m＝48FH＝0，2194V＝157  D＝100d＝96LW＝30LH＝30m＝72FH＝0，3194V＝235，5
   Nr. 单位  750W  1000W  1500W  2000W  3000W
    1 mmmmmmmmgm2层数弯折数cm3  D＝80d＝76LW＝17，5LH＝6，5m＝9FH＝0，0473V＝30，2  D＝80d＝76LW＝17，5LH＝8，5m＝12FH＝0，05373V＝44  D＝80d＝76LW＝17，5LH＝13m＝18FH＝0，0873V＝60，4  D＝80d＝76LW＝17，5LH＝17，5m＝24FH＝0，10673V＝88  D＝80d＝76LW＝26LH＝26m＝36FH＝0，15973V＝120，8
    2 mmmmmmmmgm2层数弯折数cm3  D＝90d＝86LW＝17，5LH＝6m＝13，5FH＝0，0594V＝41，3  D＝90d＝86LW＝17，5LH＝8，5m＝18FH＝0，06594V＝55  D＝90d＝86LW＝17，5LH＝14m＝27FH＝0，194V＝82，5  D＝90d＝86LW＝17，5LH＝17，5m＝36FH＝0，1394V＝111  D＝90d＝86LW＝28LH＝28m＝54FH＝0，19594V＝165
    3 mmmmmmmmgm2层数弯析数cm3  D＝100d＝96LW＝17，5LH＝7m＝16FH＝0，0794V＝59  D＝100d＝96LW＝17，5LH＝10m＝21，5FH＝0，09494V＝78，5  D＝100d＝96LW＝17，5LH＝14m＝32，5FH＝0J4194V＝118  D＝100d＝96LW＝20LH＝20m＝43FH＝0，18794V＝157  D＝100d＝96LW＝30LH＝30m＝65FH＝0，28294V＝235，5
以下代号意义是：
LW蜂窝体装置的长度
LH加热区段的轴向总长
m质量
FH加热面积
V体积此外，表中还给出了一个这类的蜂窝体是由多少层构成的，每层又弯有多少波纹。举一个例子，一种由铬铝铁合金构成的抗高温耐腐蚀板的板层厚度为0.04至0.1。如表中所示，本发明的蜂窝体的特征是适用于750W、1000W、或1500W的电功率低的情况。当用在更高的电功率时，可通过如下措施转用该标准件，即对整个蜂窝体电加热(也就是不再分段加热了)同时根据情况加大其轴向长度。不过，对于功率较小的情况，用标准直径和标准长度的蜂窝体装置同样可以达到在冷启动阶段有关加热时间的合理的性能。

Claims (21)

1.一种带有电加热装置的催化净化转换器，其中包括一个壳体(1、2、3、4)，至少一个设置在壳体中的容许来自于内燃机的废气沿其流动方向(S)通过的蜂窝体装置(10；20)，该蜂窝体至少在部分区段(11、13、15)可导电并被加热，且至少在部分区段内设有催化剂活性层，其特征在于：蜂窝体装置(10；20)被槽(16)和/或电的不良导体区(22)分成各个区段，使其上至少有两个沿气流方向(S)首尾相接的电加热区段(11、13、15；21、23)，其各自具有不同的轴向长度(LH1、LH2、LH3)和/或不同的电阻。
2.如权利要求1所述的催化净化转换器，其特征在于，第一电加热区段(11；21)的轴向长度(LH1)大于第二电加热区段(13；23)，选二至四倍为好。
3.如权利要求1或2所述的催化净化转换器，其特征在于，第二电加热区段(13；23)的电阻大于第一电加热区段(11；21)的电阻，选二至四倍为好。
4.如上述权利要求之一所述的催化净化转换器，其特征在于，在电加热区段(11、13、15；21、23)之间至少有一个不被直接加热的、带有催化剂活性层的区段(12、14；22)。
5.如上述权利要求之一所述的催化净化转换器，其特征在于，第一电加热区段(11；21)相对于其轴向长度(LH1)，其电阻、质量及表面应保证，在给定的供电电压下，例如8至12伏下，由内燃机排出的废气温度在冷启动阶段将在3至15秒内升至约450℃。
6.如权利要求4所述的催化净化转换器，其特征在于，从气流方向(S)看处于第一电加热区段(11；21)后面的、带有催化剂活性层的非直接加热区段(12；22)的长度质量和表面积应保证，在内燃机冷启动阶段，在考虑在该区段(12；22)中放热反应的前提下，对于以450℃温度进入该区段的气体在经过该区段后温度只降低约50至100℃。
7.如上述权利要求之一所述的催化净化转换器，其特征在于，第二电加热区段(13；23)的轴向长度(LH2)，电阻、质量及其表面积应保证，在内燃机冷启动阶段，在给定的供电电压下，在考虑该区段中放热反应的前提下，对于以400℃温度进入该区段的气体在经过该区段后温度只升高约50至100℃。
8.如权利要求4或6所述的催化净化转换器，其特征在于，从气流方向(S)看，后面至少还有一个带有催化剂活性层的区段(14)。
9.如权利要求8所述的催化净化转换器，其特征在于，从气流方向(S)看，后面至少还有一个可电加热的区段(15)。
10.如上述权利要求之一所述的催化净化转换器，其特征在于，整个蜂窝体装置(10；20)都带有催化剂活性层。
11.如上述权利要求之一所述的催化净化转换器，其特征在于，蜂窝体(10；20)由一个个蜂窝体构成，各蜂窝体是由具有一定结构的板(17)组合而成并至少分成三个沿轴向首尾相接的区段(11、12、13、14、15)，即一个第一电加热区段(11)、一个接在其后的、通过在板(17)上设置若干槽(16)使得至少在一个方向上不能导电从而不能直接加热的区段(12)以及接在这一区段后的第二电加热区段(13)。
12.如权利要求11所述的催化净化转换器，其特征在于，槽(16)沿大致平行于气流方向或与气流方向有一锐角的方向延伸，并避免垂直于气流方向(S)的电流从非直接加热区段(12)中通过，但该区段仍可保持轴向稳定性，由此使第一(11)和第二(12)加热区段借助于该非直接加热区段相互轴向稳定地连接，进而使整个蜂窝体(10)在采用很短的电加热区段的条件(11、13)下获得较高的轴向机械强度。
13.如上述权利要求之一所述的催化净化转换器，其特征在于，所有电加热区段的轴向长度(LH1、LH2、LH3)的总和为4至20mm，最好是6至16mm。
14.如上述权利要求之一所述的催化净化转换器，其特征在于，第一电加热区段(11)的轴向长度(LH1)为2至10mm，最好为6mm左右。
15.如上述权利要求之一所述的催化净化转换器，其特征在于，蜂窝体装置(10、20)的直径(d)为75至105mm，最好为90mm。
16.如上述权利要求之一所述的催化净化转换器，其特征在于，蜂窝体装置(10、20)的轴向总长(LW)为12至40mm，最好是25mm。
17.如权利要求1至10之一所述的催化净化转换器，其特征在于，蜂窝体装置(20)由一个单一的挤压成形的蜂窝体构成，该蜂窝体上分成轴向首尾相接的区段(21、22、23)，其电阻沿气流方向逐渐增高。
18.如权利要求17所述的催化净化转换器，其特征在于，峰窝体装置(20)上至少有三个轴向首尾相接的区段(21、22、23)，即一个第一可导电并加热的区段(21)、一个接在该区段之后的电导不良因而不能直接加热的区段(22)以及一个接在该区段之后的第二可导电并加热的区段(23)。
19.如权利要求18所述的催化净化转换器，其特征在于，该挤压成形的蜂窝体(20)在其良导体区段(21、23)最好由金属材料构成，而在其非良导体区段(22)内最好由陶瓷材料或孔隙率较高的金属材料构成。
20.如权利要求17至19之一所述的催化净化转换器，其特征在于，蜂窝体(20)由三个可加热区段及两个非直接加热区段构成。
21.如权利要求17至19之一所述的催化净化转换器，其特征在于，蜂窝体(20)上有两个可热区段及三个非直接加热区段。
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