CN112682138B - 一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明所提供的一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器及其制造方法，微通道非均匀布置的机动车尾气转化器包括：转化器本体和若干微通道；微通道沿转化器本体的轴向延伸成型，微通道设置有催化剂；其中，若干微通道沿转化器本体的径向非均匀设置。通过将微通道在所述转化器本体径向非均匀设置，进而可以适应不同机动车尾气流速场，在流速大的位置处密集设置微通道，在流速小的区域对微通道进行低密度设置，既保障微通道流速均匀，充分利用每个微通道中的贵金属催化剂的转化作用，提升催化剂的利用率和污染物转化效率，降低催化剂的总体使用量，提升机动车尾气转化器的使用寿命，又能保障各个微通道温度均衡，均衡各个微通道的积碳程度。

Description

一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器及其制造方法

技术领域

本发明涉及机动车尾气净化技术领域，尤其涉及的是一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器及其制造方法。

背景技术

传统的机动车尾气处理催化器一般由壳体、减振层、载体和催化剂涂层四部分组成(三元催化器)。壳体由不锈钢材料制成，以防氧化皮脱落造成载体的堵塞。减振层的材料一般为膨胀垫片或钢丝网垫，起到密封、保温和固定载体的作用。催化器核心承载体一般为蜂窝状陶瓷材料，也有少数采用金属(不锈钢)材料。在其内部网状隔板内表面涂覆了催化剂/载体涂层，其中载体一般为Al₂O₃，而多采用贵金属如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等作为催化剂。当发动机排气时，有害气体(如HC、CO和NOx)通过催化器内表面催化剂，在一定温度范围内通过以下一系列化学反应转化为无害的气体如N2、H2O、CO2等排出发动机排气管。

一般而言，为了更好过渡，催化器入口段的管路呈喇叭形。这会给排气带来复杂的横向流甚至涡流，导致催化器入口速度分布极其不均匀。特别对于涡轮增压汽油机，由于涡轮机高速旋转(转速最高可达数十万转/分)，使得流场变得更湍动复杂，很有可能加剧催化器入口不均匀性，如图1(机动车尾气处理转化器入口段径向界面的流速场分布示意图)所示。

常规催化器(如蜂窝状)的微孔道是均匀分布的，而来流不均匀导致不能充分利用催化器各微孔道的催化转化功能。使得某些微孔道流速过快，实际催化的气流较多，而某些微孔道流速过慢，实际催化的气流较少，进而容易使部分微孔道过早失效，丧失催化进化尾气的功能。

因此，现有技术存在缺陷，有待发展和改进。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器及其制造方法，旨在解决现有技术中机动车尾气转化器入口端流速分布不均降低机动车尾气转化器的使用寿命和净化效果的问题。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器，其包括：

转化器本体；

若干微通道，所述微通道沿所述转化器本体的轴向延伸成型，所述微通道设置有催化剂；

其中，若干所述微通道沿所述转化器本体的径向非均匀设置。

进一步的，所述微通道包括若干第一微通道和第二微通道；

所述转化器本体的径向截面包括密流区域和稳流区域，所述第一微通道设置于所述密流区域，所述第二微通道设置于所述稳流区域。

进一步的，所述第一微通道的内径小于所述第二微通道的内径；

相邻所述第一微通道之间的轴心间距小于相邻所述第二微通道之间的轴心间距。

进一步的，所述微通道的径向截面设置为圆形、矩形或正多边形。

进一步的，所述第一微通道内表面设置有若干凸筋；

多个所述凸筋沿所述第一微通道的周向均匀间隔设置，且沿所述第一微通道的轴向延伸成型。

进一步的，所述凸筋沿所述第一微通道的径向截面设置为三角形或矩形。

进一步的，所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器还包括：

进气管，所述进气管的第一端与发动机连接，所述进气管的第二端与所述转化器本体连接；

所述进气管的第一端设置J字形，所述进气管的第二端设置为u-type形，且所述进气管的第一端连接于所述进气管的第二端的边缘处。

进一步的，所述密流区域设置于所述进气管的第二端与第一端接触处。

进一步的，所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器还包括：

出气管，所述出气管设置于所述转化器本体的一端上。

本发明解决技术问题所采用的又一技术方案如下：一种如上所述的微通道非均匀布置的机动车尾气转化器的制造方法，其包括：

获取发动机型号，并对发动机的尾气转化器入流位置进行CFD流场分析，获得发动机的尾气转化器入流位置进行CFD流场分布图；

根据所述尾气转化器入流位置进行CFD流场分布图，设置微通道的结构和分布均匀性，获得微通道非均匀布置的机动车尾气转化器结构模型；

对所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器结构模型进行验证，并在验证通过后进行3D打印，获得微通道非均匀布置的机动车尾气转化器。

有益效果：本发明所提供的一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器及其制造方法，所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器包括：转化器本体和若干微通道；所述微通道沿所述转化器本体的轴向延伸成型，所述微通道设置有催化剂；其中，若干所述微通道沿所述转化器本体的径向非均匀设置。可以理解，通过将所述微通道在所述转化器本体径向非均匀设置，进而可以适应不同机动车尾气流速场，在流速大的位置处密集设置微通道，在流速小的区域对微通道进行低密度设置，既保障所述微通道流速均匀，进而充分利用每个微通道中的贵金属催化剂的转化作用，提升催化剂的利用率和污染物转化效率，降低催化剂的总体使用量，提升机动车尾气转化器的使用寿命，又能保障各个微通道温度均衡，均衡各个微通道的积碳程度。

附图说明

图1是现有技术中机动车尾气处理转化器入口段径向界面的流速场分布示意图；

图2是本发明中提供的微通道非均匀布置的机动车尾气转化器的立体结构示意图；

图3是本发明中提供的微通道非均匀布置的机动车尾气转化器的转化器本体的立体结构示意图；

图4是本发明中提供的微通道非均匀布置的机动车尾气转化器的转化器本体与进气管第二端的配合关系剖视示意图；

图5是本发明中图4中Ⅰ-Ⅰ方向剖视示意图；

图6是本发明中提供的微通道非均匀布置的机动车尾气转化器的第一微通道的径向界面示意图；

图7是本发明中提供的微通道非均匀布置的机动车尾气转化器制造方法的流程示意图；

附图标记说明：

10、微通道非均匀布置的机动车尾气转化器；11、转化器本体；12、微通道；13、第一微通道；14、第二微通道；15、密流区域；16、稳流区域；17、凸筋；18、进气管；19、出气管；181、第一端；182、第二端。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

传统的机动车尾气处理催化器一般由壳体、减振层、载体和催化剂涂层四部分组成(三元催化器)。壳体由不锈钢材料制成，以防氧化皮脱落造成载体的堵塞。减振层的材料一般为膨胀垫片或钢丝网垫，起到密封、保温和固定载体的作用。催化器核心承载体一般为蜂窝状陶瓷材料，也有少数采用金属(不锈钢)材料。在其内部网状隔板内表面涂覆了催化剂/载体涂层，其中载体一般为Al₂O₃，而多采用贵金属如铂(Pt)、钯(Pd)、铑(Rh)等作为催化剂。当发动机排气时，有害气体(如HC、CO和NOx)通过催化器内表面催化剂，在一定温度范围内通过以下一系列化学反应转化为无害的气体如N2、H2O、CO2等排出发动机排气管。

一般而言，为了更好过渡，催化器入口段的管路呈喇叭形。这会给排气带来复杂的横向流甚至涡流，导致催化器入口速度分布极其不均匀。特别对于涡轮增压汽油机，由于涡轮机高速旋转(转速最高可达数十万转/分)，使得流场变得更湍动复杂，很有可能加剧催化器入口不均匀性，如图1(机动车尾气处理转化器入口段径向界面的流速场分布示意图)所示。常规催化器(如蜂窝状)的微孔道是均匀分布的，而来流不均匀导致不能充分利用催化器各微孔道的催化转化功能。使得某些微孔道流速过快，实际催化的气流较多，而某些微孔道流速过慢，实际催化的气流较少，进而容易使部分微孔道过早失效，丧失催化进化尾气的功能。

本发明基于上述现有技术中机动车尾气转化器入口端流速分布不均降低机动车尾气转化器的使用寿命和净化效果的问题，提供了一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器及其制造方法，通过将所述微通道在所述转化器本体径向非均匀设置，进而可以适应不同机动车尾气流速场，在流速大的位置处密集设置微通道，在流速小的区域对微通道进行低密度设置，既保障所述微通道流速均匀，进而充分利用每个微通道中的贵金属催化剂的转化作用，提升催化剂的利用率和污染物转化效率，降低催化剂的总体使用量，提升机动车尾气转化器的使用寿命，又能保障各个微通道温度均衡，均衡各个微通道的积碳程度，具体详参下述实施例。

请结合参阅图2至图5，本发明的第一实施例中提供了一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器10，其包括：转化器本体11和微通道12；所述微通道12设置有若干个，所述微通道12沿所述转化器本体11的轴向延伸成型，所述微通道12设置有催化剂；其中，若干所述微通道12沿所述转化器本体的径向非均匀设置。

可以理解，通过将所述微通道12在所述转化器本体11径向非均匀设置，进而可以适应不同机动车尾气流速场，在流速大的位置处密集设置微通道12，在流速小的区域对微通道12进行低密度设置，既保障所述微通道12流速均匀，进而充分利用每个微通道12中的贵金属催化剂的转化作用，提升催化剂的利用率和污染物转化效率，降低催化剂的总体使用量，提升机动车尾气转化器的使用寿命，又能保障各个微通道12温度均衡，均衡各个微通道12的积碳程度，最终提高微通道12的利用率，提高催化贵金属利用率，在不低于现有技术指标前提下，节省贵金属用量，并提高发动机排气效率。

在另一些较佳的实施方式中，所述微通道12包括若干第一微通道13和第二微通道14；所述转化器本体11的径向截面包括密流区域15和稳流区域16，所述第一微通道13设置于所述密流区域15，所述第二微通道14设置于所述稳流区域16。

可以理解，所述稳流区域16的流速小于所述密流区域15，通过将所述微通道12设置为第一微通道13和第二微通道14两种不同的微通道12，进而可以在所述稳流区域16和密流区域15设置不同结构的微通道12，为稳定和均衡所述转化器本体11的各微通道12流速均衡提供了保障，进而充分利用每个微通道12中的贵金属催化剂的转化作用，提升催化剂的利用率和污染物转化效率，降低催化剂的总体使用量，保障所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器10的净化效果和使用寿命提供了保障。

在另一些较佳的实施方式中，所述第一微通道13的内径小于所述第二微通道14的内径；相邻所述第一微通道13之间的轴心间距L₁小于相邻所述第二微通道14之间的轴心间距L₂。

可以理解，所述密流区域15处的相邻的第一微通道13之间的间距L₁，小于所述稳流区域16处的相邻的第二微通道14之间的间距L₂；即所述稳流区域16处的相邻的第二微通道14的设置数量，小于所述密流区域15处的第一微通道13之间的设计数量；可以理解，通过缩小所述第一微通道13的内径，并且提升所述密流区域15处的第一微通道13的设置数量，进而可以使得密流区域15具备更多的微通道12，进而均衡所述密流区域15处的尾气，降低每个第一微通道13中的流速，均衡第一微通道13和第二微通道14中的流速和流量。

在另一些较佳的实施方式中，所述微通道12的径向截面设置为圆形、矩形或正多边形。可以理解，通过设置于所述微通道12的径向截面的形状，进而提升所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器10对不同型号发动机的适用范围。

请进一步结合参阅图6，在另一些较佳的实施方式中，所述第一微通道13内表面设置有若干凸筋17，多个所述凸筋17沿所述第一微通道13的周向均匀间隔设置，且沿所述第一微通道13的轴向延伸成型。

可以理解，通过在所述第一微通道13内表面上设置凸筋17，进而显著的提升了所述第一微通道13的内表面积，在稳定微流道的流速的同时，提升所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器10的净化效果。

进一步的，所述第二微通道14内表面设置有若干凸筋17，多个所述凸筋17沿所述第二微通道14的周向均匀间隔设置，且沿所述第二微通道14的轴向延伸成型。可以理解，通过在所述第二微通道14内表面上设置凸筋17，进而显著的提升了所述第二微通道14的内表面积，在稳定微流道的流速的同时，提升所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器10的净化效果。

在另一些较佳的实施方式中，所述凸筋17沿所述第一微通道13的径向截面设置为三角形或矩形。可以理解，通过控制所述凸筋17的截面形状，进而在提升所述第一微通道13的内表面的同时，降低所述第一微通道13的气阻。

进一步的，所述第二微通道14中的凸筋17的形状与所述第一微通道13中的形状相同，可以理解，通过控制所述凸筋17的截面形状，进而在提升所述第二微通道14的内表面的同时，降低所述第二微通道14的气阻。

请进一步结合参阅图1，在另一些较佳的实施方式中，所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器10还包括：进气管18，所述进气管18的第一端181与发动机连接，所述进气管18的第二端182与所述转化器本体11连接；所述进气管18的第一端181设置J字形，所述进气管18的第二端182设置为u-type形，且所述进气管18的第一端181连接于所述进气管18的第二端182的边缘处。

可以理解，通过控制所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器10的进气管18的形状，进而有效的降低了空间占用，为发动机设计提供更多的空间。

在另一些较佳的实施方式中，所述密流区域15设置于所述进气管18的第二端182与第一端181接触处。

在另一些较佳的实施方式中，所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器10还包括：出气管19，所述出气管19设置于所述转化器本体11的一端上；可以理解，所述进气管18和所述出气管119分别设置于所述转气化本体11的相对的两端上。

请进一步结合参阅图7，本发明还提供了一种如本发明上述实施例中所述的微通道非均匀布置的机动车尾气转化器的制造方法，其包括：

步骤S11、获取发动机型号，并对发动机的尾气转化器入流位置进行CFD流场分析，获得发动机的尾气转化器入流位置进行CFD流场分布图；

步骤S12、根据所述尾气转化器入流位置进行CFD流场分布图，设置微通道的结构和分布均匀性，获得微通道非均匀布置的机动车尾气转化器结构模型；

步骤S13、对所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器结构模型进行验证，并在验证通过后进行3D打印，获得微通道非均匀布置的机动车尾气转化器。

可以理解，本发明中提供的一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器的制造方法，可以针对每一型号发动机，通过CFD(Computational Fluid Dynamics，计算流体动力学)特定的流速场特性，设计转款专用的微通道非均匀布置的机动车尾气转化器，并通过3D打印制备微通道非均匀布置的机动车尾气转化器，进而有效的降低了微通道非均匀布置的机动车尾气转化器的制造难道，并且提高催化器微通道利用率，提高催化贵金属利用率，在不低于现有技术指标前提下，节省贵金属用量，并提高发动机排气效率。

综上所述，本发明所提供的一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器及其制造方法，所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器包括：转化器本体和若干微通道；所述微通道沿所述转化器本体的轴向延伸成型，所述微通道设置有催化剂；其中，若干所述微通道沿所述转化器本体的径向非均匀设置。可以理解，通过将所述微通道在所述转化器本体径向非均匀设置，进而可以适应不同机动车尾气流速场，在流速大的位置处密集设置微通道，在流速小的区域对微通道进行低密度设置，既保障所述微通道流速均匀，进而充分利用每个微通道中的贵金属催化剂的转化作用，提升催化剂的利用率和污染物转化效率，降低催化剂的总体使用量，提升机动车尾气转化器的使用寿命，又能保障各个微通道温度均衡，均衡各个微通道的积碳程度。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种微通道非均匀布置的机动车尾气转化器，其特征在于，包括：

转化器本体；

若干微通道，所述微通道沿所述转化器本体的轴向延伸成型，所述微通道设置有催化剂；

其中，若干所述微通道沿所述转化器本体的径向非均匀设置；

所述微通道包括若干第一微通道和第二微通道；

所述转化器本体的径向截面包括密流区域和稳流区域，所述第一微通道设置于所述密流区域，所述第二微通道设置于所述稳流区域；

所述密流区域和稳流区域基于尾气入流位置CFD流场分析图设置；

所述第一微通道的内径小于所述第二微通道的内径；

相邻所述第一微通道之间的轴心间距小于相邻所述第二微通道之间的轴心间距，均衡所述第一微通道和第二微通道中的流速和流量，提升催化剂的利用率和污染物转化效率，降低催化剂的总体使用；

所述第一微通道和第二微通道的内表面都设置有若干凸筋；

多个所述凸筋沿所述第一微通道和第二微通道的周向均匀间隔设置，且沿所述第一微通道和所述第二微通道的轴向延伸成型；

所述凸筋沿所述第一微通道和第二微通道的径向截面设置为三角形或矩形，在增加所述第一微通道和第二微通道的内表面的同时，降低所述第一微通道和第二微通道的气阻；

所述微通道的径向截面设置为圆形、矩形或正多边形；

所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器还包括：

进气管，所述进气管的第一端与发动机连接，所述进气管的第二端与所述转化器本体连接；

所述进气管的第一端设置J字形，所述进气管的第二端设置为u-type形，且所述进气管的第一端连接于所述进气管的第二端的边缘处；

所述密流区域设置于所述进气管的第二端与第一端接触处。

2.根据权利要求1所述的微通道非均匀布置的机动车尾气转化器，其特征在于，所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器还包括：

出气管，所述出气管设置于所述转化器本体的一端上。

3.一种如权利要求1-2任一项所述的微通道非均匀布置的机动车尾气转化器的制造方法，其特征在于，包括：

获取发动机型号，并对发动机的尾气转化器入流位置进行CFD流场分析，获得发动机的尾气转化器入流位置进行CFD流场分布图；

根据所述尾气转化器入流位置进行CFD流场分布图，设置微通道的结构和分布均匀性，获得微通道非均匀布置的机动车尾气转化器结构模型；

对所述微通道非均匀布置的机动车尾气转化器结构模型进行验证，并在验证通过后进行3D打印，获得微通道非均匀布置的机动车尾气转化器。

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