CN1177129C - 基于圆形蜂窝板的尾气催化器 - Google Patents

Abstract

一种基于圆形蜂窝挡板的尾气催化器，在扩展段中间截面处设置一片圆形蜂窝挡板，圆形蜂窝挡板选用耐高温的金属合金，其中心的蜂窝部分直径与尾管直径相等，圆形蜂窝挡板沿周向均布的方形薄片延伸脚与扩展段的锥形扩张外壳固接。本发明采用了圆形穿孔蜂窝挡板，消除了没有穿孔的圆形挡板后的回流区，流动均匀性大幅提高。

Description

基于圆形蜂窝板的尾气催化器

技术领域：

本发明涉及一种汽车尾气催化器，尤其涉及一种基于圆形蜂窝板的尾气催化器，解决汽油机和柴油机中尾气催化反应系统中的流速优化问题。

背景技术：

流过催化器的流速分布对容积使用效率，催化转化效率，使用寿命都有重要影响。通常催化器是由耐高温的陶瓷或合金材料压制而成的蜂窝体，在蜂窝体内的微小流道壁面上涂有含贵金属铂，铑等的多孔活性层，尾气中的有害物质NOx，一氧化碳和碳氢在流过微元流道时通过传质在活性涂层上起化学反应转化为无害物质。涂在催化器微小流道壁面上的活性涂层在尾气经过时会被磨损，其磨损程度与尾气流速的2至5次方成正比，流速的不均匀分布使得催化器内部分流道具有较高的流速，涂敷在这些流道壁面上的催化活性涂层承受很大的局部磨损，这些流道就较早失去催化功能，而流速较低的流道壁面上的催化活性涂层的催化转化功能又得不到充分利用，结果是整个催化器使用方形薄片延伸脚寿命和催化器的容积使用率降低；催化器的催化转化效率与尾气流过的空间速度成反比，流速的不均匀分布也增加了部分流道的尾气局部空间速度，在这部分流道经过的尾气即使在局部磨损之前也低于正常催化转化效率。值得注意的是，催化器在发动机冷起动时的前二分钟所排放的有害气体量占总量的60～70％。研究认为尾气不均匀流过催化器，冷起动期间的有害排放量也变得更高，此外这其间催化器体受热也更不均匀，产生很大的热应力，更容易损坏。因此催化器内的流速均匀分布是高度所愿望的，在设计催化器系统时是首先应考虑的，一般认为，流过催化器的流动均匀度指数低于0.8时就已不可接受了。

催化器系统由扩展段，催化器载体段和收缩段所组成。为了使流过催化器的尾气空间速度在合理的范围内，保证尾气在催化剂表面上的接触时间来进行催化反应，催化器载体段的横截面积要远大于进口面上的横截面积。因此在催化器载体前端面与尾气进口面之间有一扩展过渡段。但由于尾气由进口面进入扩展段的射流贯性效应，使得流动集中在轴心线附近的中心区域，试验和计算都表明，在扩展段两侧形成很大的回流区，以致流过催化器的流速很不均匀的。Soo-Jin Jeong在其论文Numerical Analysis of Light-Off Performance and Thermo-FluidCharacteristics in a Three_Way Monolithic Catalytic Converter采用了在扩展段中间加一圆形挡板，并对此系统的流场作了数值模拟，发现挡板后出现了回流区，大部分尾气朝催化器载体的外侧流过，流速分布更不均匀。

发明内容：

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种新型结构的基于圆形蜂窝板的尾气催化器，用于内燃机，优先考虑汽油机的排气管路中的扩展段体，使该扩展段体以简单又经济的方式使得尾气能均匀流过催化剂载体。

为实现这样的目的，本发明的设计思想是改变尾气进入扩展段的射流惯性效应。催化器包括扩展段体和一个或一个以上催化器主载体，为了改变射流的惯性效应，本发明在扩展段中加了一片圆形蜂窝挡板，圆形蜂窝挡板沿周向均布数只方形薄片延伸脚，延伸脚通过焊接方式固定在扩展段的锥形扩张外壳上。圆形蜂窝挡板的空隙率以与催化器载体的空隙率一致为宜，孔径在1.5mm至3.5mm之间，优先选用2.5mm。圆形蜂窝挡板的厚度基本均匀，其值选用4至6mm的范围，材料选用耐高温的金属合金。蜂窝部分的直径与尾管的直径相等。方形薄片延伸脚的外径等于扩展段中间截面的直径。

尾气进入扩展段时，由于惯性，集中冲击在圆形蜂窝挡板上，然后部分通过圆形蜂窝挡板的蜂窝孔，另外一部分由于该蜂窝挡板的阻力作用流向侧边，即改变了尾气的惯性效应，均匀地到达催化器的进口端面，最后均匀地流过催化器流道。

本发明采用了圆形穿孔蜂窝挡板，消除了没有穿孔的圆形挡板后的回流区，经过对穿孔的蜂窝挡板进行数值模拟，与未加蜂窝挡板的情况做比较，流动均匀性大幅提高。在雷诺数为1.2×10⁵的稳态流动的数值模拟结果显示，未加蜂窝挡板的流动均匀度指数为0.78，有了圆形蜂窝挡板的流动均匀度指数为0.86。

本发明的圆形穿孔蜂窝挡板结构可以应用于内燃机，尤其是汽油机的排气管路中的扩展段体，使得尾气能均匀流过催化剂载体，即简单又经济，效果明显。

附图说明及具体实施方式：

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明用于汽油机尾气催化器系统的结构示意图。

图2为图1中圆形蜂窝挡板的结构示意图。

如图1图2所示，本发明的催化器包括扩展段1和催化器主载体3，扩展段1中间截面处设置一片圆形蜂窝挡板2，圆形蜂窝挡板2的厚度均匀，为4～6mm，中心为蜂窝部分5，其直径与尾管4的直径相等，圆形蜂窝挡板2沿周向均布八个方形薄片延伸脚6，方形薄片延伸脚6的外径等于扩展段1中间截面的直径，并与扩展段1的锥形扩张外壳固接。圆形蜂窝挡板2的空隙率与催化器主载体3的空隙率一致，孔径在1.5mm至3.5mm之间，优先选用2.5mm。圆形蜂窝挡板的材料选用耐高温的金属合金。

尾气进入扩展段1时，由于惯性，集中冲击在圆形蜂窝挡板2上，然后部分尾气通过圆形蜂窝挡板2的蜂窝孔，另外一部分由于蜂窝挡板2的阻力作用流向侧边，即改变了尾气的惯性效应，均匀地到达催化器主载体3的进口端面，最后均匀地流过催化器流道。

Claims (4)

1、一种基于圆形蜂窝板的尾气催化器，包括催化器主载体前端面与尾气进口面之间的扩展段(1)和催化器主载体(3)，其特征在于扩展段(1)中间截面处设置一片圆形蜂窝挡板(2)，圆形蜂窝挡板(2)中心的蜂窝部分(5)直径与尾管(4)的直径相等，圆形蜂窝挡板(2)沿周向均布方形薄片延伸脚(6)，方形薄片延伸脚(6)的外径等于扩展段(1)中间截面的直径，并与扩展段(1)的锥形扩张外壳固接。

2、如权利要求1所说的基于圆形蜂窝板的尾气催化器，其特征在于圆形蜂窝挡板(2)的空隙率与催化器主载体(3)的空隙率一致，孔径在1.5mm至3.5mm之间，优先选用2.5mm。

3、如权利要求1所说的基于圆形蜂窝板的尾气催化器，其特征在于圆形蜂窝挡板(2)的厚度均匀，其值为4～6mm。

4、如权利要求1所说的基于圆形蜂窝板的尾气催化器，其特征在于圆形蜂窝挡板(2)的材料选用耐高温的金属合金。

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