CN112594041A - 基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器，由法兰、扩张管、外壳、垫层、负泊松比超材料隔音层、负泊松比超材料前载体、负泊松比超材料后载体和收缩管组成；扩张管和收缩管为光滑流线型曲面结构，垫层内至少分布着两段不同结构的载体，载体与载体之间留有空隙，以改善气流的流动特性；各段负泊松比超材料载体的微通道截面面积渐变，且采用扇环形微通道截面与负泊松比超材料微通道截面复合的形态，以减小径向热应力和载体振动；在外壳与垫层之间有负泊松比超材料隔音层，以提高催化转化器消声能力。本发明结构简单，采用负泊松比超材料实现了催化转化器净化和消声功能一体化，提高了催化转化器转换效率和使用寿命。

Description

基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器

技术领域

本发明属于汽车发动机尾气净化、消声设备技术领域，具体涉及一种基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器。

背景技术

现有的多级催化转化器载体多采用等通流面积的规则多边形蜂窝型结构，这种结构具有一定的通隙比，能保证气流与载体有较好的接触，但同时也会使废气的流速在载体横截面具有一定的速度梯度，即越靠近载体中心区域废气流速越快。这种流速不均匀现象导致载体中心区域催化剂老化快，而边缘区域催化剂却得不到合理利用。与此同时，速度梯度引起的温度梯度使载体径向产生了较大的径向热应力，缩短了载体的使用寿命。针对气流流速分布不均的问题，现有研究人员提出了几种解决方案：一是采用变通流面积的规则多边形蜂窝型结构；二是将载体的头部和尾部做成凸弧形或锥形面。尽管两种方案都能够在一定程度上降低径向速度梯度，但却都没有提高载体对热应力的承受能力，且后者还增加了排气阻力和排气背压，也就是说上述两种方案在催化转化器结构的改进和使用寿命的延长等方面所发挥的作用仍然是有限的。

在现有的汽车发动机排气系统中，一般都安装催化转化器和消音器来分别降低有害物的排放和排气噪声，两者分工明确。实际上，汽车消音器经过多年的发展，其结构已很难再有大的改进，要想进一步降低排气噪声必须从其他方面入手。早已被证实催化转化器载体同时具有阻性和抗性消声作用，但其消声效果受到载体横截面开孔率、微通道通流面积和载体长度的限制。具体来说，当载体横截面开孔率一定时，微通道通流面积越小消声量越大；当载体横截面微通道通流面积一定时，开孔率越小消声量越大；载体轴向长度越长消声量越大。虽然上述方案可以增大载体的消声量，但却没有实用价值，主要原因在于减小截面的开孔率和微通道通流面积会增大排气背压、减小废气与催化剂的接触面积，进而降低排气效率和削弱净化效果，而延长载体轴向长度会增大轴向热应力，进而降低载体的使用寿命。因此，要想增强催化转化器的消声性能必须从其他方面入手，如改变微通道截面形状、在载体外侧增加隔音层等。为增强催化转化器的消声功能，有人提出一种具有缓冲隔音功能的催化转化器衬垫。虽然上述方案对减小排气噪声具有一定的作用，但却提高了生产成本，且不能改善废气在载体径向的流动特性以及提高载体对径向热应力的承受能力。

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器。负泊松比材料是一种具有拉胀效应的超材料，因其特殊的力学性质使其具有良好的能量耗散、吸收以及轻量化的优点，在航空航天、汽车工业等领域被应用于结构的隔振、防爆、消声和抗冲击的设计与优化。综上所述，引入负泊松比超材料将是实现汽车发动机催化转化器结构改进和功能完善的有效途径之一。

发明内容

鉴于现有催化转化器存在催化剂的利用效率较低，载体使用寿命短，消声性能差等缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种既具有良好的消声功能，又能在确保具有良好的废气净化作用的前提下有效降低载体的径向热应力和提高载体对径向热应力的承受能力的发动机催化转化器结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器，其特征在于由法兰、扩张管、外壳、垫层、负泊松比超材料隔音层、负泊松比超材料前载体、负泊松比超材料后载体和收缩管组成；所述扩张管进口端通过法兰与排气管出口端连接，扩张管出口端与外壳的一端连接，外壳另一端连接收缩管入口端。负泊松比超材料隔音层安装于外壳与垫层之间，负泊松比超材料前载体和负泊松比超材料后载体安装于垫层内侧。

进一步地，扩张管和收缩管为光滑的流线型曲面结构，用于减小流动阻力，扩张管进口端截面形状及大小与收缩管出口端一致。

进一步地，为改善气流在载体横截面上的流动特性，所述催化转化器垫层内至少分布着两段不同结构的负泊松比超材料载体，其中，靠近进气口的负泊松比超材料载体前端面与扩张管后端面相距5mm~10mm；靠近排气口的负泊松比超材料载体后端面与收缩管前端面相距5mm~10mm；各段负泊松比超材料载体轴向排布且相互留有3mm~8mm的间隙。

进一步地，为提高催化转化器的转化效率，本发明中所述各段负泊松比超材料载体的长度有所不同。所述催化转化器内的负泊松比超材料载体沿轴向排布且靠近进气口位置的负泊松比超材料载体的长度大于靠近排气口位置的负泊松比超材料载体长度；其中，靠近进气口的负泊松比超材料载体最长，靠近排气口的负泊松比超材料载体长度相对较短。

进一步地，为改善气流的流动特性，使气流流速尽量分布均匀，各段负泊松比超材料载体截面微通道通流面积渐变，沿径向从载体中心向周边逐渐增大，靠近进气口的负泊松比超材料载体微通道的截面通流面积在径向方向的变化规律与不安装载体时的气流径向流速变化规律相反；其他各段负泊松比超材料载体微通道的截面通流面积与流经负泊松比超材料前载体的径向流速变化规律相反，由此可使得气流每流经一段载体，气流流速在沿载体径向方向上的分布即变得均匀一次，最终使气流流速分布更加均匀。同时，因为各段载体微通道截面通流面积在载体横截面的径向方向上特殊的变化规律，后一段载体的孔隙率较前一段载体将变大。

进一步地，为提高催化转化器的消声性能，同时提高载体对径向热应力的承受能力，各段负泊松比超材料载体横截面为扇环形微通道截面与负泊松比超材料微通道截面的复合截面形态。具体为由载体中心向外取载体半径15%~25%的区域采用扇环形微通道，其他区域采用负泊松比超材料微通道。由于流经各段负泊松比超材料载体的气流流动状态和流速各有不同，故各段载体扇环形微通道截面区域和负泊松比超材料微通道截面区域面积占比各有不同。由于气流经扩张管流入催化转化器内部时，靠近负泊松比超材料载体中心的区域气流流速较高且较为稳定，越靠近负泊松比超材料载体边缘的气流流速变化梯度越大，故靠近进气口的载体中心区域采用扇环形微通道，其他区域采用负泊松比超材料微通道；由于气流流经前一段载体后流速变得较为均匀，故除第一段负泊松比超材料载体外的其他负泊松比超材料载体，扇环形微通道截面区域面积向外逐渐增大，而负泊松比超材料微通道截面区域面积向外逐渐收缩。采用上述布置方法的原因在于，由速度分布不均匀而导致的温度分布不均和由气流扰动而引起的载体振动主要发生在载体外侧，故此处利用负泊松比超材料特殊的力学性能和减振、吸能特性，可以有效的降低负泊松比超材料载体振动噪声和承受由于温度分布不均而产生的径向热应力。

进一步地，在对负泊松比超材料载体微通道截面形态改进的基础上，在外壳与垫层之间铺设负泊松比超材料隔音层。具体为，负泊松比超材料隔音层是由多个肋板所构成，肋板之间具有轴向长度为10mm~15mm的空腔。

进一步地，负泊松比超材料载体微通道截面和负泊松比超材料隔音层胞元截面的形态有内凹六边形、内凹八边形和星型负泊松比超材料截面。

本发明提供了一种基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器，具备以下有益效果：首先，采用负泊松比超材料多载体安装模式可减小催化转化器的热应力，延长其使用寿命。负泊松比超材料载体沿轴向排布且靠近进气口位置的载体的长度大于靠近排气口位置的载体长度，同时在靠近进气口的载体前端和靠近排气口的载体后端留有一定的空腔，有利于气流的发展，而各段负泊松比超材料载体之间留有一定的空隙可以对流进下一段载体的尾气进行缓冲和混合，在使气流流速较均匀地进入下一段载体的同时，对尾气进行了一次或多次补充性催化，保证了较好的催化效果。其次，各段负泊松比超材料载体横截面为扇环形微通道截面与负泊松比超材料微通道截面的复合截面形态，可以有效吸收气流流经微通道时的振动能量，在提高载体对径向热应力的承受能力的同时起到良好的减振消声的效果。与此同时，采用特殊的负泊松比超材料载体微通道截面通流面积变化规律可使得气流在流经各段负泊松比超材料载体时横截面流速更加均匀，提高了催化转化效率，减小了径向热应力。最后，位于垫层和外壳之间的负泊松比超材料隔音层可以有效吸收载体的振动能量，具有良好的低频消声作用，结合催化转化器本身良好的中高频消声作用，将使改进后的催化转化器具备良好的低、中和高频消声作用。与此同时，负泊松比超材料隔音层还可以有效隔绝外部振动、冷激等环境因素对催化转化器内部工作环境的影响，亦可以将尾气净化排放的温度隔绝，避免高温传递到金属外壳上，发生烫伤等危险。

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是本发明所述催化转化器的整体结构和部件说明示意图

图2是本发明所述催化转化器的三维视图

图3是本发明所述催化转化器的轴向剖面示意图

图4是本发明所述催化转化器负泊松比超材料载体微通道截面通流面积和气流速度沿径向的变化规律示意图

图5是本发明所述催化转化器负泊松比超材料前载体三维视图

图6是本发明所述催化转化器负泊松比超材料前载体微通道截面结构示意图

图7是本发明所述催化转化器负泊松比超材料后载体三维视图

图8是本发明所述催化转化器负泊松比超材料后载体的微通道截面结构示意图

图9是本发明所述催化转化器负泊松比超材料隔音层肋板三维视图

图10是本发明所述催化转化器负泊松比超材料隔音层肋板截面结构示意图

图11是本发明所述催化转化器负泊松比超材料隔音层肋板位置布置示意图

图12是本发明所述内凹六边形负泊松比超材料胞元截面结构示意图

图13是本发明所述内凹八边形负泊松比超材料胞元截面结构示意图

图3中，1是法兰，2是扩张管，3是外壳，4是负泊松比超材料隔音层，5是垫层，6是负泊松比超材料前载体，7是负泊松比超材料后载体，8是收缩管。

具体实施方式

如图1和图3所示，一种基于负泊松比超材料的集净化和消声于一体的发动机催化转化器由法兰1、扩张管2、外壳3、垫层5、负泊松比超材料隔音层4、负泊松比超材料前载体6、负泊松比超材料后载体7和收缩管8组成；所述扩张管2进口端通过法兰1与排气管出口端连接，扩张管1出口端与外壳3的一端连接，外壳3另一端连接收缩管8入口端。负泊松比超材料隔音层4安装于外壳3与垫层5之间，负泊松比超材料前载体6和负泊松比超材料后载体7安装于垫层5内侧。

所述扩张管1和收缩管8为光滑的流线型曲面结构，用以减小流动阻力，扩张管1进口端截面形状及大小与收缩管8出口端一致。

所述负泊松比超材料载体在垫层内的安装方式为多载体安装，此处具体涉及负泊松比超材料前载体6和负泊松比超材料后载体7，而且负泊松比超材料前载体6与扩张管2、负泊松比超材料后载体7与收缩管8之间均留有10mm宽的空腔，以便气流的充分发展。负泊松比超材料前载体6和负泊松比超材料后载体7之间留有5mm宽的空隙，以便使尾气在流入负泊松比超材料后载体之前先进行缓冲和混合，由此可使气流流速较均匀分布地进入下一段载体的同时，对尾气进行一次或多次补充性催化转化，以保证较好的催化转化效果。

所述负泊松比超材料前载体6靠近进气口，其三维视图和截面形态特征分别如图5和图6所示，其横截面采用扇环形微通道截面与内凹六边形负泊松比超材料微通道截面复合的截面形态。由于气流经扩张管流入催化转化器内部时，靠近载体中心的区域气流流速较高且较为稳定，越靠近载体边缘的气流流速变化梯度越大，故靠近进气口的载体由载体中心向外取载体半径15%~25%的区域采用扇环形微通道，其他区域采用内凹六边形负泊松比超材料微通道。负泊松比超材料前载体微通道截面面积沿径向渐变，沿径向从载体中心向周边逐渐增大，变化规律如图4所示，图中表示传统的等面积规则微通道下的常规材料前载体截面流速分布，表示负泊松比超材料前载体截面流速分布，表示负泊松比超材料前载体截面微通道通流面积沿径向变化的规律，载体中心区域微通道的通流面积最小且在之间，由此可见，改进后的负泊松比超材料前载体截面流速沿径向分布更加均匀。

所述负泊松比超材料后载体7靠近排气口，其三维视图和截面形态特征分别如图7和图8所示。负泊松比超材料后载体7的截面构成与负泊松比超材料前载体6相同，所不同的是孔隙率和微通道截面通流面积的变化规律。由于废气在流经负泊松比超材料前载体后流速分布已有所改善，载体径向速度梯度变小，此处基于负泊松比超材料前载体截面设计的思想，负泊松比超材料后载体截面微通道通流面积变化规律与气流流过负泊松比超材料前载体后径向气流流速变化规律相反，其示意图如图4所示，图中表示传统的等面积规则微通道下的常规材料后载体截面流速分布，表示负泊松比超材料后载体截面流速分布，表示负泊松比超材料后载体截面微通道通流面积沿径向变化的规律，负泊松比超材料载体中心区域微通道的通流面积最小且在之间，由载体中心向外取载体半径15%~25%的区域采用扇环形微通道。由此可见，在使得气流流速变得更加均匀的同时增大后了载体的孔隙率，使尾气净化得更加彻底。

所述负泊松比超材料隔音层是由隔音层内圆柱壳、隔音层外圆柱壳以及具有负泊松比超材料胞元的多段肋板所构成，肋板之间具有轴向长度为10mm~15mm的空腔，肋板三维视图和负泊松比超材料微结构截面形态特征分别如图9和图10所示。肋板位置布置如图11所示，图中w、W、L、Φd、ΦD分别代表肋板轴向长度、肋板间隙、隔音层总长度、隔音层内圆柱壳直径和隔音层外圆柱壳直径。现有研究表明，所述负泊松比超材料隔音层对40Hz以上的振级有明显的削弱作用，有助于降低振动噪声。

所述内凹六边形和内凹八边形负泊松比超材料胞元的截面结构示意图分别如图12和图13所示。研究表明，当泊松比为-1且满足可闭合条件时，内凹六边形负泊松比超材料胞元具有很好的减振性能。本实施例所取的负泊松比超材料胞元的泊松比都等于-1，其中负泊松比超材料胞元形状满足可闭合条件，即H=2L，胞元角θ=30°。

以上所述仅为本发明专利关于基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器的一个实施例而已，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 (6)

1.基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器，其特征在于由法兰、扩张管、外壳、垫层、负泊松比超材料隔音层、负泊松比超材料前载体、负泊松比超材料后载体和收缩管组成；所述扩张管进口端通过法兰与排气管出口端连接，扩张管出口端与外壳的一端连接，外壳另一端连接收缩管入口端；负泊松比超材料隔音层安装于外壳与垫层之间，负泊松比超材料前载体和负泊松比超材料后载体安装于垫层内侧。

2.根据权利要求1所述的基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器，其特征在于各段负泊松比超材料载体横截面为扇环形微通道截面与负泊松比超材料微通道截面的复合截面形态；具体为由载体中心向外取载体半径15%~25%的区域采用扇环形微通道，其他区域采用负泊松比超材料微通道。

3.根据权利要求1所述的基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器，其特征在于在外壳与垫层之间铺设负泊松比超材料隔音层；负泊松比超材料隔音层由隔音层内圆柱壳、隔音层外圆柱壳以及具有负泊松比超材料胞元的多段肋板构成，肋板之间具有轴向长度为10mm~15mm的空腔。

4.根据权利要求1所述的基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器，其特征在于负泊松比超材料载体微通道截面和负泊松比超材料隔音层胞元的截面形态有内凹六边形、内凹八边形和星型负泊松比超材料截面。

5.根据权利要求1所述的基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器，其特征在于扩张管和收缩管为光滑的流线型曲面结构，扩张管进口端截面形状及大小与收缩管出口端一致；垫层内至少安装两段不同结构的负泊松比超材料载体，其中，靠近进气口的负泊松比超材料载体前端面与扩张管后端面相距5mm~10mm；靠近排气口的负泊松比超材料载体后端面与收缩管前端面相距5mm~10mm；各段负泊松比超材料载体轴向排布且相互留有3mm~8mm的间隙，靠近进气口位置的负泊松比超材料载体的长度大于靠近排气口位置的负泊松比超材料载体长度。

6.根据权利要求1所述的基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器，其特征在于各段负泊松比超材料载体微通道截面面积渐变，沿径向从载体中心向周边逐渐增大，靠近进气口的负泊松比超材料载体微通道的截面通流面积在径向方向的变化规律与不安装载体时的气流径向流速变化规律相反；其他各段负泊松比超材料载体微通道的截面通流面积与流经负泊松比超材料前载体的径向流速变化规律相反，且后一段载体的孔隙率较前一段载体要大。

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