NO169581B - Katalytisk konverter - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en katalytisk konverter som angitt i den innledende del av krav 1.

Katalytiske konvertersystemer brukes i biler, lastebiler og liknende for å redusere eksosutslipp (nitrøse oksider) og for å oksidere CO og uforbrente hydrokarboner. Den valgte katalysator er vanligvis platina. På grunn av at platina er såpass kostbart er det viktig å anvende det effektivt, som betyr eksponering av gassene for et stort overflateareal av platina med en oppholdstid som er tilstrekkelig lang til å kunne utføre et akseptabelt arbeide ved bruk av så lite katalysator som mulig.

Vanligvis blir eksosgassene ført til konverteren i et sylindrisk rør eller kanal med et strømningstverrsnitt på ca. 16-32 cm<2>. Katalysatoren (i form av en platinabelagt keramisk monolitt eller en masse av belagte keramikkpellets) er anbrakt i en kanal med f.eks. et elliptisk tverrsnitt i strømningsretningen med et to til fire ganger så stort areal som den sirkulære innløpskanalen. Innløpskanalen og kanalen inneholdende katalysatoren er forenet via en diffusordel som gir en overgang fra sylindrisk til elliptisk form. På grunn av plassbegrensninger er diffusordelen svært kort; og dens divergerende halv-vinkel kan være så stor som 45°.Siden strømmen separeres fra veggen når halv-vinkelen overstiger omlag 7.0°,har eksosstrømmen fra innløpsrøret en tendens til å forbli en sylinder, og støter for det meste mot kun en liten del av det elliptiske innløpsarealet av katalysatoren. På grunn av den dårlige spredningen i diffusordelen vil det eksistere en ujevn flyt gjennom katalysatormassen. Disse problemene er diskutert i et tidsskrift med tittel "Visualization og Automotive Catalytic Converter Internal Flows",av Daniel W. Wendland og William R. Matthes, SAE nr. 861554, presentert ved "International Fuels and Lubricants Meeting and Exposition, Philadelphia, Pennsylvania, 6-8 oktober 1986. Det er et ønske om å være i stand til å spre strømmen bedre i slike korte lengder av diffusordelen for å kunne gjøre mere effektiv bruk av platinakatalysatoren, og derved redusere mengde katalysator som kreves.

For å oppnå dette, er det allere kjent et katalytisk konvertersystem som inkluderer en gass-tilførselskanal med et utløp med et første tverrsnittsareal m.h.t. strømning, en mottakskanal med et strømningsinnløp med et andre tverrsnittsareal som er større enn det første strømningstverrsnittet og distansert nedstrøms for tilførselskanalens utløp og som videre inkluderer en katalysatormasse anbrakt inne i dette, og en overgangskanal som definerer en diffusor med ei strømningsoverflate som forbinder utløpet med innløpet, der diffusorens strømningsoverflate omfatter et flertall nedstrømsrettete, alternerende, sammenføyde U-formete renner og forhøyninger som danner en jevn bølgeformet del som avsluttes som en bølgeformet utløpskant, idet rennene og forhøyningene starter med dybde og høyde lik null ved tilførselskanalens utløp og øker i dybde og høyde til et maksimum ved den bølgeformete kanten, der rennene og forhøyningene er dimensjonerte og formet slik at hver renne skaper et par stor-skala mot-roterende virvler, der hver virvel roterer om en akse som er rettet hovedsakelig i nestrøms retning, og der det ved den bølgeformete kanten er en trinnvis økning i arealet av strømningstverrsnittet og der den bølgeformete utløpskanten er distansert oppstrøms for katalysatormassen.

Et katalytisk konvertersystem av denne typen er beskrevet i EP patentsøknadene 244335 og 318413.1 hver av disse publikasjonene har hver forhøyning en nedstrømsrettet topp som er paralell med nedstrømsretningen.

Som beskrevet i de ovennevnte EP-publikasjonene vil foranstaltningen ved rennene og forhøyningene forsinke eller hindre den katastrofale effekt ved strømvis todimensjonal grensesjikt-separasjon ved framskaffelse av tredimensjonal hjelp for grensesjikt-strømmen med lavt moment. De lokale variasjonene i strømningsareal som skapes av rennene og forhøyningene gir lokal kontroll av trykkgradientene og tillater at grensesjiktene nærmer seg et motsatt trykkgradient-område for å beveges lateralt istedet for å separere fra veggens overflate. Det er antatt at ettersom grensesjiktet flyter nedstrøms og møter en forhøyning, vil det tynnes ut langs toppen av forhøyningen og plukker opp lateralt moment på begge sider av forhøyningens spiss mot rennene. På tilsvarende måte er grensesjiktet som strømmer inn i renna i stand til å plukke opp lateralt moment og bevege seg lateralt på veggene av renna på begge sider av denne. Nettoresultatet er forsinkelse av todimensjonal grensesjikt-separasjon på grunn av at grenselaget er i stand til å løpe rundt trykkstigningen etter som det bevger seg nedstrøms. Ved å forsinke grensesjikt-separasjon kan samme grad av diffusjon tillempes i en diffusor med kortere lengde ved å øke diffusorvinkelen, eller en økning i diffusjon kan oppnås for en diffusor med gitt lengde for på denne måten å oppnå en mere effektiv bruk av katalysatoren.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å sørge for en katalytisk konverter som kan forsinke grensesjikt-separasjon for å oppnå ytterligere fordeler med hensyn til effektiv bruk av katalysatoren.

Dette formålet oppnås som angitt i den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere særtrekk framgår av de uselvstendige kravene 2 til 4.

I henhold til den foreliggende oppfinnelsen blir dette formålet oppnådd ved at hver av rennene og forhøyningene har en nedstrømsrettet topp som skrår innover mot det sentrale strømningsområdet i overgangskanalen som skaper en blokkering mot strømning parallelt med nestrømsretningen.

Ved å sørge for topper som skrår innover mot det sentrale strømningsområdet blir det oppnådd enda bedre strømningsfordeling. Forhøyningene skaper en blokkering for den rette gjennomgående flyten (dvs. flyten som er parallell med nedstrømsretningen) og tvinger slik flyt utover og vekk fra sentrum av kanalen mot bunnen av rennene. Dette tillater enda større helningsvinkler av rennenes bunner uten at det skjer noen separering. En raskere blanding og en jevnere hastighetsprofil over kanalen like oppstrøms for rennene kan være mulig ved bruk av en slik konfigurasjon.

Et strømlinjeformet senterlegeme kan anbringes i overgangskanalen for å skape en blokkering mot flyt i nedstrømsretningen og tvinge en del av flyten mot rennene og forhøyningene.

Fortrinnsvis har hver av rennene en nedstrømsrettet bunn som skrår utover og vekk fra det sentrale strømningsområdet og danner en vinkel © på minst 30° med nedstrømsretningen, og toppene av forhøyningene danner en vinkel a på minst 30° med nedstrømsretningen.

Det katalytiske konvertersystemet er i det etterfølgende beskrevet i nærmere detalj med henvisning til figurer, der

figur 1 er ei perspektivskisse av et tidligere kjent katalytisk konvertersystem,

figur 2 er et snitt hovedsakelig gjennom linja 2-2 i figur 1,

figur 3 er et snitt hovedsakelig gjennom linja 3-3 i figur 2,

figur 4 er et illustrativt tverrsnitt av et katalytisk konvertersystem med trekk ifølge den foreliggende oppfinnelsen,

figur 5 er et tverrsnitt hovedsakelig gjennom linja 5-5 i figur 4, og figur 6 er et tverrsnitt hovedsakelig gjennom linja 6-6 i figur 4.

Figur 1-3 viser et tidligere kjent katalytisk konvertersystem for eksempelvis personbiler, som er generelt betegnet med tallet 800. Konvertersystemet 800 består av en sylindrisk gasstil-førselskanal 802, en elliptisk gassmottakende kanal 804, og en diffusor 806 som skaper en overgangskanal eller rør mellom disse. Diffusoren 806 strekker seg fra det sirkulære utløpet 808 av tilførselskanalen til det elliptiske innløpet 810 av mottakskanalen. Mottakskanalen opptar katalysatormassen. Katalysatormassen er en porøs monolittstruktur der de porøse cellene er parallelle med nedstrømsretningen. Innløpsflata av monolitten er ved innløpet 810; men den kan imidlertid beveges videre nedstrøms for å tillate en ekstra diffusor-distanse mellom utløpet av rennene og katalysatoren. Katalysatorer for katalytiske konvertere er velkjent innen fagområdet. Konfigurasjonen av katalysatormassen er ikke ansett for å være en del av oppfinnelsen.

Som en best kan se i figur 3, skjer diffusjon i denne utførelsen kun i retning av hovedaksen 820 av ellipsen. Sekundæraksen av ellipsen forblir i en konstant lengde som er ekvivalent med diameteren av utløpet 808 av tilførselskanalen. I en betydning er diffusoren 806 en effektiv todimensjonal diffusor. Ved planet 812 er arealet av diffusorens tverrsnitt avtrappet. Diffusorveggen 814 oppstrøms for planet 812 inkluderer et flertall av U-formete nedstrømsrettete sammenføyde alternerende renner 816 og forhøyninger 818 som definerer ei jevn bølgeformet overflate. Rennene starter i planet for utløpet 808 med null dybde, og øker gradvis i dybde til en maksimal dybde ved deres utløp ved planet 812, for derved å danne en bølgeformet kant i planet 812, som best kan sees i figur 3. Toppene av forhøyningene 818 er parallelle med nedstrømsretningen og er orientert i hovedsakelig samme retning som den innvendige overflata av tilførselskanalen. Bunnen 822 av rennene 816 danner en vinkel © med nedstrømsretningen eller toppene av forhøyningene 818. Siden diffusjon kun finner sted i retning av hovedaksen 820 av det elliptiske innløpet 810, er dybden av rennene laget hovedsakelig parallell med denne aksen. Konturen og størrelsen av rennene og toppene er valgt for å unngå enhver todimensjonal grensesjikt-separasjon på deres overflate.

Denne trinnvise økningen i tverrsnittsareal ved renneutløpets plan 812, gir volum for spredning av eksosstrømmen før den rekker fram til forsiden av katalysatoren, som er ved utløpet 810.

Den utvendige veggen 824 av diffusoren nedstrøms for renneutløpene har et økende elliptisk strømningstverrsnitt. Det vil sannsynligvis gi liten forskjell dersom veggen 824 hadde et konstant elliptisk strømningstverrsnitt som er ekvivalent med dets maksimale utløpsareal siden det nær ellipsens hovedakse trolig ikke eksisterer noe gjenoppbygging av kontakt av strømmen til veggens overflate selv i den illustrerte konfigurasjonen. En slik veggkonfigurasjon med konstant tverrsnitt er representert ved de stiplete linjene 826.1 dette tilfellet ville diffusoren 806 være ansett som avsluttet umiddelbart nedstrøms for planet av renneutløpene 812; men katalysatoroverflata er fremdeles distansert nedstrøms for renneutløpene for å tillate at eksosgassene ekspanderer ytterligere før de entrer katalysatormassen.

Et katalytisk konvertersystem i henhold til en utførelsesform av oppfinnelsen er vist i figurene 4-6. Forskjellen mellom utførelsene i figur 1-3 og fig. 4-6 er at toppen 918 av forhøyningene i den sistnevnte utførelsen er bøyd eller avskrådd innover mot sentrum av kanalen istedet for å være parallelle med nedstrømsretningen, og representerer en blokkering for flyt som er parallell med nedstrømsretningen. Et fast stykke 910 er anbrakt i kanalen 912 som danner renner 914 og forhøyninger 916. De utoverbøyde rennene 914 gir mere enn en kompensasjon for blokkeringen, slik at det aktuelle strømningstverrsnittet i kanalen øker gradvis fra renneinnløpene til renneutløpene ved planet 920. Strømningstverrsnittet ekspanderer dermed raskt (dvs. trinnvis) og fortsetter å øke til planet 922. Strømningsarealet forblir konstant i en kort avstand deretter før det kommer fram til katalysatormassen 924.

I testene av en konfigurasjon lik den som er vist i figur 4-6 hadde den sylindriske innløpskanal 923 en diameter på 51 mm. Ved planet 922 var tverrsnittsarealet hovedsakelig elliptisk, med en sekundærakse-lengde på ca. 51 mm og en hovedakselengde på omlag 102 mm. Distansen mellom renneutløpene (planet 920) og katalysatorfronten 925 var omlag 36 mm for å gi et blandeområde. Mens det ikke ble brukt noen aktuell katalysator i testene, var katalysatormassen representert ved en porøs konstruksjon bestående av aksialt forlengete åpne kanaler med heksagonalt tverrsnitt.

For hver testkonifgurasjon ble strømningshastigheten målt ved punkter over hele det elliptiske strømningstverrsnittet omtrentlig ved planet av utløpet av katalysatormassen. En gjennomsnittlig "ikke-uniformitets" hastighetsparameter V ble beregnet som standardavviket av hastigheten dividert på middelhastigheten. Dess lavere verdien for V er for en testkonfigurasjon er, dess mindre er variasjoner i strømningshastigheten over tverrsnittet. V=0.0 betyr lik strømningshastighet i alle punkter.

I en basislinje-konfigurasjon lik den som er vist i figur 4, men uten noe innføringsstykke 910 (dvs. uten avrundete framspring i diffusordelen) var variansen V lik 2.665.1 en annen test ble det brukt et innføringsstykke der vinkelen ø mellom bunnen 926 av rennene 914 og nedstrømsretningen og vinkelen a mellom nedstrømsretningen og toppene 918 av forhøyningene 916 begge var 30°.Den aksiale lengden L av rennene var omlag 27 mm; og deres dybde D ved utløpsplanet var 30 mm. Rennenes bredde T var omlag 5 mm, og bredden R av forhøyningene var omlag 9 mm. Til forskjell fra i tegningene i figur 4-6, var bunnene 926, av rennene og toppene 918 av forhøyningene firskårne. Overflatene 928 var dessuten flate. Innføringsstykket var således formet av mange relativt skarpe innvendige og utvendige hjørner. Variansen V for denne konfigurasjonen var 2.723, faktisk verre enn basislinje-konfigurasjonen uten avrundete framspring.

En annen testkonfigurasjon hadde de samme skarpe kantene, de samme bredder av rennenene og forhøyningene og den samme aksiale lengde av rennene som den forutgående konfigurasjon; vinkelen ø var imidlertid 35° og a var 40°.Dette økte rennedybden D ved utløpet til omlag 41 mm. Variansen for denne konfigurasjonen ble forbedret til 2.455.Innføringsstykket ble deretter fjernet og alle skarpe kanter og hjørner ble avrundet, slik at det framsto som vist i figur 4 og 5. Den ble deretter testet på nytt, hvorved variansen falt betydelig ned til 2.008.

Innføringsstykket ble igjen fjernet, og bredden T av rennene ble økt til omlag 7 mm, som økte bredden av rennene til 7 mm. Alle hjørnene forble avrundet. En test av denne konfigurasjonen ga en annen vesentlig forbedring i varians ved å senke den til 1.624.De tidligere åpningene var åpenbart for trange i forhold til deres dybde ved utløpet.

Det antas at ved å sørge for at forhøyningene er rettet inn i veien for den inngående strøm, blir en del av flyten presset utover og vekk fra det sentrale strømningsarealet eller aksen av kanalen. Returtrykk-gradienten i rennene blir redusert og tillater svært bratte rennevinkler ©. Resultatet blir en raskere og jevnere flytfordeling over kanalen nedstrøms for forhøyningene, særlig nær ytterveggen. Skarpe hjørner ser ut til å begrense enhver forbedring som ellers kunne finne sted. Bredden av renner og forhøyninger spiller også en viktig rolle.

Et strømlinjeformet senterlegeme i den forhøyde del av kanalen bør gi en tilsvarende effekt, og kan brukes sammen med forhøyningene. Senterlegemet ville således representere en blokkering for flyt som er parallell med nedstrømsretningen, og tvinge en del av strømmen utover mot de øvre og nedre veggene. Selv om det ikke ble testet, er det vist et slikt senterlegeme 930 (stiplet) i figur 4 og ville vært rettet mellom sideveggene av kanalen (vinkelrett på papirplanet). Enten det blir brukt senterlegeme eller ikke vil det være et behov for å eksperimentere med ulike vinkler av renner og forhøyninger for hver anvendelse, for å bestemme den beste konfigurasjon for den bestemte anvendelse.

Hva som er "best" vil være forskjellig for hver anvendelse siden variansen V kun er en av flere parametere som kan være viktig for drift av anordningen. F.eks., konfigurasjonen som er beskrevet ovenfor med en varians på 1.624, resulterte i en 12% økning i tilbaketrykk, noe som ikke er ønskelig, selv om det kan være akseptabelt. Det kan f.eks. være bedre å ha en konfigurasjon med en høyere varians og lavere tilbaketrykk. Volumrestriksjoner kan også spille en viktig rolle i utforming av anordningen.

Som beskrevet tidligere, har tilførselskanalen for eksosen et sirkulært tverrsnitt, og den mottakende kanal 804 er elliptisk på grunn av at det er dette som vanligvis brukes i bilindustrien. Begge kunne klart hatt et sirkulært tverrsnitt.

For å oppnå den ønskete effekt ved forsinking eller forhindring av grensesjikt-separasjon, er det antatt at den maksimale dybden D av renna (dvs. topp til topp bølgeamplitude) må være minst omlag to ganger 99% av grenselagets tykkelse umiddelbart oppstrøms for rennene. Det er antatt at de beste resultatene vil oppnås når den maksimale bølgeamplitude D er omlag av samme størrelse som tykkelsen (vinkelrett på hovedstrømningsretningen og på overflata av diffusoren) av separasjonsområdet (dvs. kjølvannet) som forventes å opptre uten bruk av forhøyningene og rennene. Denne retningslinje er ikke anvendbar på alle anvendelser av diffusor siden andre parametere og begrensninger kan innvirke på hva som er best. Dersom X er distansen mellom tilstøtende renner (dvs. "bølgelengde") ved posisjonen for deres maksimale amplitude D (vanligvis ved diffusorutløpet), er forholdet mellom X og D fortrinnsvis ikke større enn omlag 4.0 og ikke mindre enn omlag 0.2. Generelt kan steiling kun forsinkes istedet for å elimineres, dersom amplituden D er for liten og X er for stor i forhold til hverandre. Hvis D på den annen side er for stor i forhold til X og/eller at rennene er for trange, kan viskøse tap oppheve noen eller alle fordeler ved oppfinnelsen, slik som ved overdreven økning i tilbaketrykk.

Rennene er konstruert for å gi full gjennomstrømning. Strømmen forblir dermed i kontakt med bunnene 926 av rennene 914 opp til planet 920. Selv om det vil bli noe tap ved planet 920 og i en kort distanse nedstrøms for dette på grunn av diskontinuitet, vil rennene og forhøyningene skape et flytmønster umiddelbart nedstrøms for planet 920 som vesentlig reduserer slike tap, sannsynligvis ved at fluidumet rettes radielt utover på en raskere måte enn hva som ville skje ellers ved en slik diskontinuitet.

Det er antatt at hver renne skaper en enkelt storskala aksial virvel fra overflata av hver sidevegg ved utløpet av rennene. Med "storskala" menes at virvlene har en diameter som er omlag like stor som den totale dybden av rennene. Disse to virvlene (en fra hver sidevegg) roterer i motsatt retning og skaper et strømningsfelt som tenderer til å forårsake at fluidum fra renna og også fra den nærliggende bulk beveges radielt utover inn i "hjørnet" som dannes av ekspansjonen i passasjens tverrsnittsareal. Nettoeffekten av dette fenomenet er reduksjon av størrelsen av lavtrykksregionen eller stagnasjons-sonen i hjørnet.

For at virvelen som dannes fra sidekanten av ett utløp ikke skal forstyrres av en motsatt roterende virvel dannet fra sidekanten av den neste tilstøtende renne, er det nødvendig at sidekantene av tilstøtende renneutløp er tilstrekkelig distansert. Generelt bør planet nedstrøms av arealet av det faste materialet mellom sidekantene av tilstøtende renner være minst en fjerdedel av arealet av planet i utløpet av ei renne.

Det er videre antatt at de beste resultater oppnås når sideveggenes overflater ved utløpet er bratte. I et tverrsnitt som er vinkelrett på nedstrøms-retningen, som er retningen av rennenes lengde, bør fortrinnsvis linjer som er tangentielle med de bratteste punkter langs sidekantene danne en inkludert vinkel som ikke er større enn omlag 120°.Desto nærmere denne vinkelen er null, desto bedre. I utførelsene i figur 4, 5 og 6, er den inkluderte vinkel praktisk talt 0°.

Claims (4)

1. Katalytisk konverter bestående av en tilførselskanal (923) med et utløp med et første strømningstverrsnitt, en mottakskanal med et innløp med et andre strømningstversnitt som er større enn det første strømningstverrsnittet og distansert nedstrøms for tilførselskanalen og med en katalysatormasse (924) anbrakt inne i mottakskanalen, og en overgangskanal (912) som definerer en diffusor med et strømningstverrsnitt som forbinder det første utløpet og det andre utløpet, hvor diffusorens strømningsoverflate inkluderer et flertall nedstrømsrettete, alternerende, sammenføyde, U-formete renner og forhøyninger (914,916) som danner en jevn bølgeformet del av strømningsoverflata, hvor den bølgeformete delen avsluttes som en bølgeformet utløpskant, hvor rennene og forhøyningene (914, 916) starter med dybde og høyde lik null ved tilførselskanalens utløp og hvor deres dybde og høyde øker til et maksimum ved den bølgeformete kanten, hvor rennene og forhøyningene (914, 916) er dimensjonerte og formet slik at hver renne skaper et par stor-skala mot-roterende virvler, hvor hver virvel roterer om en akse som er rettet hovedsakelig nedstrøms, hvor det ved den bølgeformete kanten er en trinnvis økning i strømningstverrsnittet og hvor den bølgeformete utløpskanten er distansert oppstrøms for katalysatormassen (924), karakterisert ved at hver av forhøyningene (916) har en nedstrømsrettet topp (918), som skrår innover mot det sentrale strømningsområdet i overgangskanalen (912), som skaper en blokkering mot strømning parallelt med nedstrømsretningen.

2. Katalytisk konverter ifølge krav 1, karakterisert ved at overgangskanalen (912) er forsynt med et strømlinjeformet senterlegeme (930).

3. Katalytisk konverter ifølge krav 1, karakterisert ved at hver av rennene (914) har en nedstrømsrettet bunn (926) som skrår utover og vekk fra det sentrale strømningsområdet i en vinkel (©) på minst 30"med hensyn til nedstrømsretningen.

4. Katalytisk konverter ifølge krav 3, karakterisert ved at toppene (918) danner en vinkel (a) på minst 30° med hensyn til nedstrømsretningen.