CN116696530A - 催化器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种催化器，涉及内燃发动机后处理技术领域，该催化器包括壳体、载体，其中，壳体设有气道，所述气道的两端分别为进气口和出气口；载体设置于气道内，所述载包括多个环形体，多个环形体的长度由内至外递增，并且，相邻的环形体之间限定出贯通的流道。上述催化器，其内部的载体由多个环形体构成，多个环形体的长度由内至外递增，并且，相邻的环形体之间限定出贯通的流道。如此，可改善热量及气流在载体端面上的分布，热量传递均匀，提升了催化转化效率，可在使用更少载体情况下实现催化器功能，降低成本。

Description

催化器

技术领域

本发明涉及内燃发动机后处理技术领域，特别涉及一种催化器。

背景技术

催化器总成通过氧化还原反应，将内燃发动机排放的三种废气有害物CO、HC和NO_x转化为无害的水、二氧化碳和氮气。随着环境保护要求的日益苛刻，排放法规限值要求不断加严，催化器总成对于起燃阶段的排放控制显得尤为重要。而目前催化器的成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种催化器，实现较低成本。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种催化器，其包括：

壳体，设有气道；所述气道的两端分别为进气口和出气口；

载体，其设置于所述气道内；所述载体包括多个环形体，多个所述环形体的长度由内至外递增，相邻的所述环形体之间限定出贯通的流道。

其中一些实施方式中，所述载体的环形体同轴设置。

其中一些实施方式中，所述环形体呈正多边形。

其中一些实施方式中，所述流道呈三角形。

其中一些实施方式中，相邻的所述环形体之间，位于内侧的环形体之棱边与位于外侧的环形体之侧面固定连接。

其中一些实施方式中，所述的催化器还包括加热部，所述加热部与所述载体热传导连接。

其中一些实施方式中，所述加热部与所述载体中最内层环形体之靠近所述进气口的一端热传导连接。

其中一些实施方式中，所述加热部包括与所述载体中最内层环形体之靠近所述进气口一端热传导连接的导热座、与所述导热座热传导连接的加热导线。

其中一些实施方式中，所述加热部包括还包括固定在所述导热座一侧并与所述导热座热传导连接的导热体，所述导热体与所述载体中最内层环形体之靠近所述进气口一端热传导连接。

其中一些实施方式中，所述加热部包括还包括嵌装在所述导热座内的温度传感器。

其中一些实施方式中，所述的催化器包括设置在所述进气口并与所述载体热传导连接的导热片，所述导热片设有与所述气道连通的通孔。

其中一些实施方式中，各个所述环形体位于同一侧的端部平齐并与所述导热片抵接。

其中一些实施方式中，所述通孔有多个，通孔的面积自远离导热片中心的方向递增。

其中一些实施方式中，所述通孔有多个，多个所述通孔环绕所述导热片的中心呈同心环形阵列排布。

其中一些实施方式中，相邻的所述环形体之间的流道呈多个环绕所述载体中心轴间隔排布，多个所述流道与多个所述通孔对应相通。

其中一些实施方式中，同一环形上的各个通孔的面积相等，不同环形之间的通孔面积由内至外递增。

其中一些实施方式中，多个所述通孔环绕所述导热片的轴线呈四个环形的同心环阵列排布，四个环形由内至外被配置为第一～第四环形，其中，第二环形中通孔的数量为二十四个，其余各环形中通孔的数量均为三十个。

其中一些实施方式中，所述导热片的直径为100mm；

第一～第四环形中的通孔分别对应为第一～第四通孔，其中，第一通孔的孔径为3.073mm，第二通孔的孔径为4.097mm，第三通孔的孔径为5.121mm，第四通孔的孔径为6.146mm。

其中一些实施方式中，各个所述环形体位于同一侧的端部平齐并靠近所述进气口设置。

其中一些实施方式中，所述环形体的表面均覆设有催化剂层。

其中一些实施方式中，所述的催化器还包括设置于所述气道之出气口处的陶瓷载体。

其中一些实施方式中，所述的催化器还包括套设于所述陶瓷载体外表面并与所述壳体内表面紧密配合的环形套。

其中一些实施方式中，所述陶瓷载体的一端嵌入至最外层环形体内，所述最外层环形体的端部与所述环形套抵接。

由上述技术方案可知，本发明至少具有如下优点和积极效果：

本发明所提供的催化器，其内部的载体由多个环形体构成，多个环形体的长度由内至外递增，并且，相邻的所述环形体之间限定出贯通的流道。如此，可改善热量及气流在载体端面上的分布，热量传递均匀，提升了催化转化效率，可在使用更少载体情况下实现催化器功能，降低成本。

附图说明

图1是本发明提供的催化器实施例的主视图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明提供的催化器实施例的俯视图；

图4是本发明提供的催化器实施例中载体的立体图；

图5是本发明提供的催化器实施例中导热座的俯视图；

图6是本发明提供的催化器实施例中加热部的侧视图；

图7是本发明提供的催化器实施例中导热体的立体图；

图8是本发明提供的催化器实施例中导热片的俯视图；

图9为传统催化器的热量均匀度图；

图10为本发明催化器的热量均匀度图。

附图标记说明如下：

1、壳体；

2、载体；20、环形体；200、流道；

3、加热部；

30、导热座；300、安装孔；301、盲孔；

31、加热导线；

32、导热体；

33、导热片；330、中心孔；331、第一通孔；332、第二通孔；333、第三通孔；334、第四通孔；

4、陶瓷载体；5、环形套；6、温度传感器；7、固定扎带。

具体实施方式

体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1至图3所示，本申请提供了一种催化器，其包括壳体1、载体2以及加热部3，其中，壳体1设有气道，气道的两端分别为进气口和出气口。载体2固装于气道内且沿该气道的轴向延伸。载体2呈由多个环形体20构成的同心环结构，多个环形体20的长度由内至外递增，并且，相邻的环形体20之间限定出贯通的流道。加热部3与载体2热传导连接。

在本实施例中，壳体1呈圆筒状，其内部的中空空间则构成了气道，壳体1的两端与中空空间连通的开口则分别为进气口和出气口。壳体1的材料选用SUS436，也就是铁素体不锈钢，其高度为144mm。当然，壳体1的材料也可选用其他不锈钢材料或者其他金属材料。

气道呈圆柱形，载体2固装于气道内且沿该气道的轴向延伸。载体2由多个环形体20构成。可以理解的，多个环形体20构成的同心环结构。载体2嵌装至气道内，各个环形体20与壳体1同轴，多个环形体20的长度由内至外递增，也就是说，位于自最中间部位的环形体20向最外层的环形体20，各个环形体20沿轴向延伸的长度配置为阶梯长度分布。参阅图2的催化器的剖面图所示，载体2呈现为塔型。

相邻的环形体20之间限定出贯通的流道，也就是说，相邻的环形体20之间的间隔空间构成了供气体流动的流道。当环形体20为圆环形时，相邻的环形体20之间的间隔空间也就构成了圆环形的流道，环形体20之间可以等间隔，也可以非等间隔。

加热部3与载体2热传导连接。在燃油发动机启动前，加热部3通过热传导将热量传递至载体2，载体2中的多个环形体20的长度由内至外递增，可改善热量及气流在载体2端面上的分布，热量传递均匀，促使温度达到起燃催化剂的起燃温度，提升了催化转化效率。发动机启动后，燃烧废气热量进入载体2，排气气流均匀分布，而不会产生干涉。

一些实施例中，相邻的环形体20之间的流道呈多个环绕载体2中心轴间隔排布。也就是说，相邻的环形体20之间的间隔空间被分隔成多个环绕载体2中心轴间隔排布的子空间，每个子空间均构成了一个流道。相邻的环形体20之间的多个流道环绕载体2中心轴均匀间隔排布。发动机启动后，燃烧废气热量进入载体2，排气气流均匀的穿过各个流道，而不会产生干涉。

参阅图3和图4所示，环形体20的截面呈正多边形。载体2呈由十九个正多边形环形体20构成的同心环结构。呈正多边形的环形体20，侧壁由多个矩形边相连而成，从而增大了散热面积，有助于提升载体2的热传导效率。

再参阅图4并结合图3所示，当相邻的环形体20之间的间隔空间被分隔成多个环绕载体2中心轴间隔排布的子空间，每个子空间均构成了一个流道200时，流道200呈三角形。相邻的环形体20之间的多个三角形流道200环绕载体2中心轴均匀间隔排布，可使得载体2的结构更加稳固，而且，三角形的流道200边界分明，排气气流均匀的穿过各个流道，更加不会产生干涉。

相邻的环形体20之间，位于内侧的环形体20之棱边与位于外侧的环形体20之侧面固定连接，如此，可使得载体2的结构更加稳固，而且固定之后，相邻的环形体20之间便可形成多个三角形流道200环绕载体2中心轴均匀间隔排布的结构。

环形体20的材料选用SUS436，相邻的环形体20之间，位于内侧的环形体20之棱边与位于外侧的环形体20之侧面焊接，十九个正多边形环形体20焊接后便可构成同心环结构的载体2。当然，环形体20的材料也可选用其他不锈钢材料或者其他金属材料。

各个环形体20的表面均覆设有催化剂层。催化剂用的是铂、铑、钯等贵金属，将其中一种喷涂在环形体20表面，就构成了催化剂层。在燃油发动机启动前，加热部3对载体2进行加热，燃油发动机启动后，直接进行废气催化转化功能，解决冷启动起燃阶段的排放问题。

参阅图2并结合图4所示，各个环形体20位于同一侧的端部平齐并靠近进气口设置。当壳体1的高度为144mm时，位于自最中间部位的环形体20的长度(高度)为5mm，位于最外层的环形体20的长度(高度)为95mm。从内层开始到外层环形体20的长度(高度)逐渐加长，相邻的环形体20之间的高度差相等。可见，催化器整体结构更加紧凑。

一些实施例，参阅图2所示，催化器还包括陶瓷载体4，该陶瓷载体4置于壳体1内并设置于气道之出气口处，以进一步提升废气的催化转化。陶瓷载体4的材料选用堇青石，高度30mm。

陶瓷载体4的表面覆设有铂、铑、钯等贵金属层，将其中一种喷涂在陶瓷载体4表面，就构成了贵金属层，又进一步提升了废气的催化转化。

当壳体1呈圆筒状时，陶瓷载体4则被设计成圆饼装，壳体1的内径与陶瓷载体4的外径相当，陶瓷载体4嵌入到壳体1的出气口并与壳体1的内表面过盈配合。装于壳体1气道内的载体2位于陶瓷载体4的正上方，各个环形体20位于同一侧的端部平齐并靠近进气口设置。多个环形体20的长度由内至外递增，参阅图2所示，载体2自进气口朝向出气口呈塔型。

再有一些实施例，参阅图2所示，催化器还包括环形套5，该环形套5套设于陶瓷载体4的外表面。环形套5的材料为陶瓷纤维，厚度3.5mm，高度25mm。陶瓷载体4连同环形套5共同从出气口嵌装至壳体1内，以将出气口封堵。环形套5的外表面与壳体1的内表面紧密配合，该环形套5对陶瓷载体4起到了支撑之作用。另外，陶瓷载体4的一端嵌入至最外层环形体20内，最外层环形体20的端部与环形套5抵接，确保了整体结构的稳固。

一些实施例中，参阅图1所示，加热部3与载体2中最内层环形体20之靠近进气口的一端热传导连接。热量自载体2的中心内层向外扩散传导，热传递更加均匀。

加热部3包括导热座30和加热导线31。其中，参阅图5，导热座30呈扁圆柱形，其中心处贯穿设有安装孔300。加热导线31的一端嵌装到该安装孔300中，以使得加热导线31与导热座30固定。

导热座30的材料选用SUS436，通过冲压的方式成型。当然，导热座30的材料也可选用其他不锈钢材料或者其他金属材料。导热座30的半径为30mm，高度20mm，安装孔300的半径为10mm。加热导线31的半径为10mm，外层材料为橡胶，厚度约为1mm；内部为铜导线，半径为9mm。加热导线31的半径与安装孔300的半径相当，以便于加热导线31的一端嵌装到该安装孔300中。

导热座30嵌装至载体2中最内层环形体20之靠近进气口一端，加热导线31位于壳体1之外。

再一些实施例中，参阅图7并结合图2所示，加热部3包括还包括固定在导热座30一侧并与导热座30热传导连接的导热体32。导热体32呈圆片状，材料选用SUS436，半径38.541mm，厚度3mm，并为实心机加工件。当然，导热体32的材料也可选用其他不锈钢材料或者其他金属材料。

导热体32通过焊接的方式固定在导热座30中背向加热导线31的一侧，该导热体32的中心线与导热座30的中心线为同一直线。导热体32与载体2中最内层环形体20之靠近进气口一端热传导连接，例如，可选择将导热体32嵌入到最内层环形体20内，导热体32与载体2同轴并且表面与最内层环形体20的内表面贴合。

又一些实施例中，参阅图8并结合图2所示，加热部3还包括导热片33，该导热片33呈圆片形状，材料为SUS436，半径为100mm。导热体32固定在导热片33的中心处并与该导热片33热传导连接。当然，导热片33的材料也可选用其他不锈钢材料或者其他金属材料。

导热片33的中心处贯穿设有中心孔330，该中心孔330的孔径与导热座30的直径相当。导热体32通过焊接的方式固定在导热座30中背向加热导线31的一侧，该导热体32的中心线与导热座30的中心线为同一直线。导热座30穿设在中心孔330中，导热座30的外周面与中心孔330的内周面紧固贴合。导热体32则与导热片33抵靠，一方面使得导热座30、导热体32及导热片33三者稳固连接，另一方面便于导热座30、导热体32向导热片33传递热量。

导热片33设置在气道之进气口，导热体32嵌入到最内层环形体20内，导热体32与载体2同轴并且表面与最内层环形体20的内表面贴合。导热片33贯穿设有与气道连通的通孔，参阅图3所示。

参阅图2所示，各个环形体20位于同一侧的端部平齐并与导热片33抵接，以便于导热片33向各个环形体20均匀传递热量。

通孔有多个，通孔的面积自远离导热片中心的方向递增，从而有助于废气的进入。

多个通孔环绕导热片33的轴线呈同心环形阵列排布，以便于废气通过通孔均匀流入到气道内。

相邻的环形体20之间的流道呈多个环绕载体2中心轴间隔排布，多个流道与多个通孔对应相通，以使得废气通过通孔进入到通孔对应的流道，避免出现气流干涉。

处于同一环形上的各个通孔的面积相等，不同环形之间的通孔面积由内至外递增，从而有助于废气的进入。

多个通孔环绕导热片33的轴线呈四个环形的同心环阵列排布，四个环形由内至外被配置为第一～第四环形，其中，第二环形中通孔的数量为二十四个，其余各环形中通孔的数量均为三十个。

第一～第四环形中的通孔分别对应为第一～第四通孔，其中，第一通孔331的孔径为3.073mm，相邻的第一通孔331之间的夹角12°-04.1；第二通孔332的孔径为4.097mm，相邻的第二通孔332之间的夹角15°-04.2；第三通孔333的孔径为5.121mm，相邻的第三通孔333之间的夹角12°-04.3；第四通孔334的孔径为6.146mm，相邻的第四通孔334之间的夹角12°-04.4。

当然，导热片33可以不与导热体32相连，而是将导热片33设置在进气口，通过其他加热元件或其他加热方式对导热片33进行加热，导热片33直接将热量传导至载体2。导热片33贯穿设有与气道连通的通孔之结构可采用上述结构，可以连接的，通孔结构也可以设计成其他适配的构造。

参阅图3并结合图5所示，加热部3包括还包括嵌装在导热座30内的温度传感器6，以便于进行温度监控。导热座30的一侧开设有盲孔301，温度传感器6的端部嵌入到盲孔301内，温度传感器6的数据线部分与加热导线31位于导热座30的同一侧。另外，温度传感器6的数据线部分与加热导线31可藉由固定扎带7绑固，参见图6所示。

装配催化器时，将加热导线31和温度传感器6置于导热座30内，温度传感器6的数据线部分与加热导线31藉由固定扎带7绑固。导热座30、加热导线31、导热体32通过电阻焊形式结合在一起。导热座30嵌入至导热片33的中心孔330内，导热体32与导热片33抵靠。然后，再将导热片33与载体2之平齐的一端焊接，从而完成分总成的装配。

将上述分总成装入至壳体1内，载体2从进气口挤压进入壳体1的气道内，载体2与壳体1过盈配合。导热片33固定在气道的进气口并将进气口封堵。

陶瓷载体4连同环形套5共同从出气口嵌装至壳体1内，以将出气口封堵。环形套5的外表面与壳体1的内表面紧密配合。

发动机启动前，催化器的电加热工作模式：

热传导路线：加热导线31通电，产生热量，传递到导热座30，通过热传导到导热体32及导热片33，然后导热片33将热量传递给到载体2。

热辐射路线：热量到达导热座30、导热体32后进行辐射，对导热片33及载体2进行加热，此结构可导流，使得整个气道内热量更为均匀。

加热导线31把电能转换为热能，通过热传导将热量传递给导热座30及导热体32。电加热的能量通过中间导热体32向四周导热片33、导热片33与载体2热传递热量。载体2由十九个长度递增的环形体20组成，可解决中间温度高，边缘温度低的问题，从而使中间的空间热量均匀。

燃油发动机启动后，燃烧废气热量通过导热片33进入载体2，排气气流均匀分布，而不会产生干涉。

根据上述尺寸制造的催化器，可节省安装空间约2.8L体积，在日益紧凑的布置空间内更为实用，布置环境适用性更好。

本发明所提供的催化器，其内部的载体2呈由多个环形体20构成的同心环结构，多个环形体20的长度由内至外递增，并且，相邻的环形体20之间限定出贯通的流道。如此，可改善热量及气流在载体2端面上的分布，热量传递均匀，促使温度达到起燃催化剂的起燃温度，提升了催化转化效率。

图9为传统催化器的热量均匀度图，图10为本发明催化器的热量均匀度图，对比后可发现本发明催化器的前端面以下10mm气流均匀性(UI)可提升0.05，可改善气流在载体端面上的分布，提升催化转化效率。

通过试验摸索研究，本发明提供的催化器可在同体积陶瓷载体基础上减少20％体积，可节省成本约600-800元。

与传统陶瓷相比，本发明提供的催化器排放性能明显变好，在45s的加热阶段，可减少NMHC 30％，HC 30％，CO 55％，NO_X 33％。

以上各实施例只是结构的举例性说明，各实施例中的结构之间并非固定搭配的组合结构，在无结构冲突的情况下，多个实施例中的各结构可任意组合使用。如：催化器仅包括壳体1和载体2，其中，壳体1设有气道，气道的两端分别为进气口和出气口。载体2设置于气道内。载体2包括多个环形体20，多个环形体20的长度由内至外递增，相邻的环形体20之间形成贯通的流道。如此，废气通过流道时，该催化器改善热量及气流在载体端面上的分布，热量传递均匀，提升了催化转化效率，可在使用更少载体情况下实现催化器功能，降低成本。

虽然已参照几个典型实施方式描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施方式不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (23)

1.一种催化器，其特征在于，包括：

壳体，设有气道；所述气道的两端分别为进气口和出气口；

载体，其设置于所述气道内；所述载体包括多个环形体，多个所述环形体的长度由内至外递增，相邻的所述环形体之间形成贯通的流道。

2.根据权利要求1所述的催化器，其特征在于，所述载体的环形体同轴设置。

3.根据权利要求2所述的催化器，其特征在于，所述环形体呈正多边形。

4.根据权利要求3所述的催化器，其特征在于，所述流道呈三角形。

5.根据权利要求4所述的催化器，其特征在于，相邻的所述环形体之间，位于内侧的环形体之棱边与位于外侧的环形体之侧面固定连接。

6.根据权利要求1所述的催化器，其特征在于，还包括加热部，所述加热部与所述载体热传导连接。

7.根据权利要求6所述的催化器，其特征在于，所述加热部与所述载体中最内层环形体之靠近所述进气口的一端热传导连接。

8.根据权利要求7所述的催化器，其特征在于，所述加热部包括与所述载体中最内层环形体之靠近所述进气口一端热传导连接的导热座、与所述导热座热传导连接的加热导线。

9.根据权利要求8所述的催化器，其特征在于，所述加热部包括还包括固定在所述导热座一侧并与所述导热座热传导连接的导热体，所述导热体与所述载体中最内层环形体之靠近所述进气口一端热传导连接。

10.根据权利要求8所述的催化器，其特征在于，所述加热部包括还包括嵌装在所述导热座内的温度传感器。

11.根据权利要求1所述的催化器，其特征在于，还包括设置在所述进气口并与所述载体热传导连接的导热片，所述导热片设有与所述气道连通的通孔。

12.根据权利要求11所述的催化器，其特征在于，各个所述环形体位于同一侧的端部平齐并与所述导热片抵接。

13.根据权利要求11所述的催化器，其特征在于，所述通孔有多个，通孔的面积自远离导热片中心的方向递增。

14.根据权利要求11所述的催化器，其特征在于，所述通孔环绕所述导热片的中心呈同心环形阵列排布。

15.根据权利要求14所述的催化器，其特征在于，相邻的所述环形体之间的流道呈多个环绕所述载体中心轴间隔排布，多个所述流道与多个所述通孔对应相通。

16.根据权利要求14所述的催化器，其特征在于，同一环形上的各个通孔的面积相等，不同环形之间的通孔面积由内至外递增。

17.根据权利要求14所述的催化器，其特征在于，多个所述通孔环绕所述导热片的轴线呈四个环形的同心环阵列排布，四个环形由内至外被配置为第一～第四环形，其中，第二环形中通孔的数量为二十四个，其余各环形中通孔的数量均为三十个。

18.根据权利要求17所述的催化器，其特征在于，所述导热片的直径为100mm；

第一～第四环形中的通孔分别对应为第一～第四通孔，其中，第一通孔的孔径为3.073mm，第二通孔的孔径为4.097mm，第三通孔的孔径为5.121mm，第四通孔的孔径为6.146mm。

19.根据权利要求1所述的催化器，其特征在于，各个所述环形体位于同一侧的端部平齐并靠近所述进气口设置。

20.根据权利要求1所述的催化器，其特征在于，所述环形体的表面覆设有催化剂层。

21.根据权利要求1所述的催化器，其特征在于，还包括设置于所述气道之出气口处的陶瓷载体。

22.根据权利要求21所述的催化器，其特征在于，还包括套设于所述陶瓷载体外表面并与所述壳体内表面紧密配合的环形套。

23.根据权利要求21所述的催化器，其特征在于，所述陶瓷载体的一端嵌入至最外层环形体内，所述最外层环形体的端部与所述环形套抵接。