扰流预燃机构和包含其的扰流触媒催化器组件

摘要

一种扰流预燃机构，用于在封闭的内燃发动机尾气排放管道内使位于所述扰流预燃机构的尾气排放下游方向的触媒催化器的有效触媒转化面积增加，所述扰流预燃机构包括扰流器、预燃网和支撑架，其中所述扰流预燃机构与所述尾气排放管道彼此配合使得流经尾气排放管道内的尾气全部穿过所述扰流预燃机构，所述预燃网位于所述扰流器的尾气排放下游方向；所述预燃网和所述扰流器被固定在所述支撑架上。本发明的扰流预燃机构将进入尾气排放管道内的尾气于进入触媒催化器前进行扰流处理，使尾气于管道内高速流动时所产生的较大的速度斜率降低，并将所述尾气于进入触媒催化器前预燃，从而分散了触媒催化器内集中的热点，增加了有效触媒转化效率。

说明书

技术领域

本发明涉及尾气净化领域，更具体地，本发明涉及用于使位于封闭的尾气排放管道内的触媒催化器的有效触媒转化面积增加的方法和装置，以及涉及包含所述装置的触媒催化器组件。

背景技术

机动车尾气净化领域的现有技术主要包括将机动车尾气排气管道内的尾气直接点燃或燃烧和/或使机动车尾气排气管道内的尾气流经蜂巢结构的催化器，利用尾气与所述催化器的大面积皱褶面的接触，将在发动机内燃烧不完全或经高温高压燃烧所造成的排放尾气污染物再次燃烧转化成无毒性气体排放。

例如，在中国专利CN2531253Y中公开了一种汽车尾气燃烧装置，其中在汽车废气排气管中设置火花塞，火花塞与点火线圈、分电器、电源顺序连接，汽车发动机运转时排气管中的火花塞通电，点燃排气管中未燃净的燃料气体、CO、H

在中国专利CN207761765U中公开了一种发动机尾气燃烧器系统，包括进气总管、出气总管和至少三个燃烧器，每个所述燃烧器包括进气管、出气管、用于点火的点火部和用于氧化污染气体的氧化部，每个所述进气管的进口分别和所述进气总管连通，每个所述出气管分别和所述出气总管连通。该专利中的燃烧器是为了对尾气进行加热，从而对尾气进行进一步地氧化处理，其还用于降低尾气颗粒物的排放量。

另外，在中国专利CN20329438U中公开了一种机动车排气歧管结构，其中公开了在汇集管和三元催化器之间设置能够调整排气管内的废气流动方向的扰流部件，该扰流部件被设置为与三元催化器的前锥体内表面固定连接的结构。该专利的机动车排气歧管结构、扰流部件对进入三元催化器内的废气形成干扰，废气集中吹过三元催化器内的载体的中间位置，从而使三元催化器载体的流动均匀性变好，偏心率性能指标增加，最大限度提高三元催化器载体的利用率。

在中国专利申请CN105971693A中公开了一种柴油发动机尾气后处理的扰流装置，其中所述扰流装置与柴油发动机尾气后处理的点火升温装置连接，点火升温装置所加热的尾气和点火升温装置所产生的气体相混合后成为混合气体进入扰流装置进行均混处理；混合气体送入氧化性催化器和颗粒过滤器。

鉴于全球对内燃发动机尾气排放规范日趋严格、贵金属成本增加、需要延长触媒催化器产品的使用寿命和减少贵金属消耗量等因素，现有技术中对现行触媒催化器使用寿命与催化效率进行了大量的研究和积极改善。

目前的研究表明：气体分子于封闭管道内高速流动时会产生的一定的规律性(熵减现象)，即气体分子于封闭管内高速流动时，断面中心流动的速度与管壁周边流动的速度差异不断扩大。在封闭的尾气排放管道内，高速流动的尾气的中心速度与壁边速度产生差异的现象对触媒催化器的工作产生一系列不良影响：1)触媒燃烧催化时产生热点集中的现象，造成触媒催化器加速劣化；2)尾气以高速进入触媒催化器，由于火焰扩散速度小于尾气流动速度，造成燃烧位置落后触媒前端的现象，触媒前端有一段涂覆贵金属区域因此成为低反应区或无作用区，从而使反应效率降低。

基于目前的研究，在触媒催化器失效的样品中发现了抛物线形状的损坏，该特征显示尾气于封闭的尾气排放管道内高速流动时的物理状态对触媒催化器造成了损伤并降低了转化效率。如果要提升转化效率及延长触媒催化器使用寿命，必须以人为机构的手段干扰流体分子运动形态或增熵破坏分子运动的规律性，以达到保护触媒催化器的目的，使其避免因热点集中而造成使用寿命下降以及增加贵金属涂层的使用率。

发明内容

基于上述背景技术部分的内容，现有技术中需要一种能够使触媒催化器的有效触媒转化面积增加的方法或装置，所述方法或装置能够分散触媒燃烧催化时触媒催化器内集中的热点，提高触媒催化器的转化效率，延长触媒催化器的使用寿命，降低贵金属的用量并降低产品的成本。本发明的技术方案的目的在于提供能够使触媒催化器的有效触媒转化面积增加的方法和装置，以及包含所述装置的触媒催化器组件。

本发明涉及以下方面：

方面1.一种扰流预燃机构，其用于在封闭的内燃发动机尾气排放管道内使位于所述扰流预燃机构的尾气排放下游方向的触媒催化器的有效触媒转化面积增加，所述扰流预燃机构包括扰流器、预燃网和支撑架，

其中

所述扰流预燃机构与所述尾气排放管道彼此配合使得流经所述尾气排放管道内的尾气全部穿过所述扰流预燃机构；

所述预燃网位于所述扰流器的尾气排放下游方向；以及

所述预燃网和所述扰流器被固定在所述支撑架上。

方面2.一种位于封闭的内燃发动机尾气排放管道内的扰流触媒催化器组件，其包括触媒催化器，所述扰流触媒催化器组件还包括如方面1所述的扰流预燃机构，该扰流预燃机构位于所述触媒催化器的尾气来气方向的上游。

方面3.根据方面2所述的扰流触媒催化器组件，其中所述扰流预燃机构与所述触媒催化器之间的安装距离为约1至50mm。

方面4.根据方面2或3所述的扰流触媒催化器组件，其中所述支撑架将所述触媒催化器和所述扰流预燃机构接合在一起。

方面5.一种使在封闭的内燃发动机尾气排放管道内的触媒催化器的有效触媒转化面积增加的方法，该方法包括将所述触媒催化器放置在如方面1所述的扰流预燃机构的尾气排放下游方向。

方面6.根据方面5所述的方法，其中所述扰流预燃机构与所述触媒催化器之间的安装距离为约1至50mm。

方面7.根据方面5或6所述的方法，其中所述支撑架将所述触媒催化器和所述扰流预燃机构接合在一起。

方面8.根据方面1所述的扰流预燃机构用于在封闭的内燃发动机尾气排放管道内使位于所述扰流预燃机构的尾气排放下游方向的触媒催化器的有效触媒转化面积增加的用途。

本发明的扰流预燃机构对进入触媒催化器的尾气分子的规律性进行干扰，使进入触媒催化器的尾气分子于进入催化器前产生扰动搅拌的现象，从而以对排气管道内的尾气进行扰流的方式，减缓了尾气气体于排气管道内高速流动时所产生速度斜率过大(熵减)的物理现象，同时还将所述尾气于进入触媒催化器前预燃，进而分散了触媒催化器内集中的热点，提高了触媒催化器转化效率，延长了触媒催化器的使用寿命，降低了贵金属的用量以及降低了触媒催化器的产品成本。

采用本发明的扰流预燃机构，发动机废气排放时，尾气于排气管内流动的速度与气体质量惯性动能，尾气流经扰流预燃机构后所产生的气体扰动的安装距离、触媒催化器的低效率区大小等因素均处于达到最佳目标值的状态。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对具体实施方式部分中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。需要说明的是，本发明的说明书附图仅是示意性的，其中描绘的部件尺寸及尺寸比例并不代表产品真实的尺寸及比例，而仅是为了示意性地呈现各部件之间的位置关系或连接关系。为了方便绘图与理解，部件的尺寸可能作出了不同比例的缩放。此外，相同或类似的附图标记表示相同或类似的构件。

图1是说明在现有技术中高速流经尾气排放管道的尾气的流速曲线以及在触媒催化器中产生较大的低效率区的示意图。

图2是说明在本发明中高速流经尾气排放管道的尾气在受到扰流预燃机构2的干扰前后的流速曲线以及在触媒催化器中产生较小的低效率区的示意图。

图3是包括本发明的扰流预燃机构2和触媒催化器1的扰流触媒催化器组件的分解示意图。

图4是用支撑架5将扰流器3和预燃网4接合在一起形成扰流预燃机构2的示意图，并示出扰流预燃机构2位于触媒催化器1的尾气来气方向的上游。

图5是扰流预燃机构2与触媒催化器1组装于尾气排放管道内的解剖示意图。

附图标记说明

1. 触媒催化器

2. 扰流预燃机构

3. 扰流器

4. 引燃网

5. 支撑架

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施方式。对示例性实施方式的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施方式。提供这些实施方式仅是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另有说明，否则在此处阐述的部件和步骤的相对布置和顺序、材料的组分、数字表达式和数值等应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其它要素的可能。“前”、“后”、“上游”、“下游”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。本发明中使用的术语“尾气”、“排气”和“废气”等具有相同的含义。本发明中使用的术语“约”具有本领域技术人员公知的含义，优选指该术语所修饰的数值在其±50％，±40％，±30％，±20％和±10％范围内。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用词典中定义的术语应当被理解为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非本文明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作为详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在第一方面，本发明涉及一种扰流预燃机构2，其用于在封闭的内燃发动机尾气排放管道内使位于所述扰流预燃机构2的尾气排放下游方向的触媒催化器1的有效触媒转化面积增加，所述扰流预燃机构2包括扰流器3、预燃网4和任选的支撑架5。

如本领域技术人员能够理解的，所述扰流预燃机构2优选与所述尾气排放管道彼此配合使得流经所述尾气排放管道内的尾气基本上全部穿过所述扰流预燃机构2，从而使所述尾气能够充分受到所述扰流预燃机构2的作用。

此处，本领域技术人员已知的是，可以利用或不利用其它材料、构件或装置实现“所述扰流预燃机构2与所述尾气排放管道的彼此配合”。

在如上所述本发明的扰流预燃机构2中，所述预燃网4位于所述扰流器3的尾气排放下游方向；并且所述预燃网4和所述扰流器3任选被固定在所述支撑架5上。

此处，所述预燃网4与扰流器3之间的安装距离以及所述扰流预燃机构2与触媒催化器1之间的安装距离的设定是根据内燃发动机废气排放状况，触媒催化器1的规格和使用的触媒材料，支撑架5、扰流器3和预燃网4的形状、规格、材质和破孔形状等多种因素调整安排的，它们之间的配合使得在封闭的内燃发动机尾气排放管道内位于所述扰流预燃机构2的尾气排放下游方向的触媒催化器的有效触媒转化面积显著增加。在此，所述扰流器3和预燃网4的形状、规格、材质和破孔形状同样没有具体限制，只要其能够实现本发明要实现的上述目的即可。

在本发明的扰流预燃机构2中，优选将扰流器3和预燃网4固定于支撑架5上，并将它们通过支撑架5接合于触媒催化器1，即支撑架5为触媒催化器1、扰流器3和预燃网4提供机械结构的强度支撑，并将它们接合在一起，使触媒催化器1、扰流器3和预燃网4处于理想的相关位置处。然而优选地，所述扰流预燃机构2与所述触媒催化器1之间的安装距离为约1至50mm，优选约2至20mm。

在另一方面，本发明还涉及一种位于封闭的内燃发动机尾气排放管道内的包括触媒催化器1的扰流触媒催化器组件，该扰流触媒催化器组件还进一步包括如上第一方面中所述的扰流预燃机构2，该扰流预燃机构2位于所述触媒催化器1的尾气来气方向的上游。

如本领域技术人员能够理解的，在如上所述的扰流触媒催化器组件中，所述扰流预燃机构2和所述触媒催化器1与所述尾气排放管道彼此配合使得流经所述尾气排放管道内的尾气按顺序全部穿过所述扰流预燃机构2(从而使所述尾气能够充分受到所述扰流预燃机构2的作用)和所述触媒催化器。

此处，本领域技术人员已知的是，可以利用或不利用其它材料、构件或装置实现“所述扰流预燃机构2和所述触媒催化器与所述尾气排放管道的彼此配合”。

在如上所述的本发明的扰流触媒催化器组件中，优选用支撑架5将触媒催化器1和所述扰流预燃机构2接合在一起，使触媒催化器1、扰流器3和预燃网4处于理想的相关位置处。然而优选地，所述扰流预燃机构2与所述触媒催化器1之间的安装距离为约1至50mm，优选约2至20mm。

在如上所述的本发明的扰流触媒催化器组件中，所述扰流预燃机构2位于相对于触媒催化器1而言流体扰动有效区域内。此处所述的“扰流预燃机构2位于流体扰动有效区域内”是指内燃发动机尾气于尾气排放管道内高速流经扰流预燃机构2时，产生最佳的扰动现象。这可通过以下列两种方式实现：(1)在有充足空间的消声器内，通过调整扰流预燃机构2与触媒催化器1之间的安装距离的方式实现；(2)在空间不足的消声器内，通过调整扰流预燃机构2形状、规格、材质和破孔形状等的方式实施。

此处，所述调整扰流预燃机构2与触媒催化器1之间的安装距离是依据内燃发动机废气排放状况、扰流器3和预燃网4的形状、规格、材质和破孔形状等调整安排的。优选地，所述扰流预燃机构2与所述触媒催化器1的安装距离为约1至50mm，优选约2至20mm。

在又一方面，本发明还涉及一种使在封闭的内燃发动机尾气排放管道内的触媒催化器1的有效触媒转化面积增加的方法，该方法包括将所述触媒催化器1放置在如上文第一方面中所述的扰流预燃机构2的尾气排放下游方向。

在上文中关于“扰流预燃机构”和“扰流触媒催化器组件”的方面中提及的优选方面在此也适用。

在又一个方面，本发明还涉及如上文中第一方面中所述的扰流预燃机构2用于在封闭的内燃发动机尾气排放管道内使位于所述扰流预燃机构2的尾气排放下游方向的触媒催化器1的有效触媒转化面积增加的用途。

在上文中关于“扰流预燃机构”和“扰流触媒催化器组件”的方面中提及的优选方面在此也适用。

不希望束缚于理论，下文将简要介绍本发明的扰流预燃机构2的作用机制，然而本发明的保护范围并不受到此处描述的机制的限制。

本领域技术人员已知的是：气体分子于封闭管道内高速流动时会产生的一定的规律性(熵减现象)，即气体分子于封闭管内高速流动时，断面中心流动的速度与管壁周边流动的速度差异出现扩大的物理现象(如流体学中雷诺数Reynolds number所述)。因此，在封闭的尾气排放管道内，尾气分子与污染颗粒会向排气管管径中央集中(即熵减)。目前的研究发现，在触媒催化器失效的样品中发现了抛物线形状的损坏，该特征显示尾气于封闭管道内高速流动时的物理状态对触媒催化器造成了损伤并降低了转化效率。如果要提升转化效率及延长使用寿命，必须以人为机构的手段干扰流体分子运动形态或增熵破坏分子运动的规律性，以达到保护触媒催化器的目的，使其避免因热点集中而造成使用寿命下降及增加贵金属涂层的使用率。

本发明的扰流预燃机构2的主要目的就是要降低气体分子及污染物集中量(即，使气体分子流动速度梯度平缓达成分散污染物集中)，使得后续触媒转化器在进行转化(燃烧)的过程中，污染颗粒平缓散布于触媒端，从而减缓触媒因颗粒(燃烧)集中而造成热点集中的高温破坏现象。

在如上所述的本发明的触媒催化器组件中，所述扰流预燃机构2用于在封闭的内燃发动机尾气排放管道内降低高速流动的尾气在所述封闭管道内所造成的速度斜率过大的现象，干扰内燃机发动机尾气中的分子于所述封闭管道内高速流动时所产生的熵减现象，改变催化器温度升温集中位置，改善催化器温度升温集中现象，将燃烧集中的热点面积扩散。

具体地，在现有技术中，参见本发明附图1，在封闭的尾气排放管道内，高速流经所述尾气排放管道的尾气分子的流速在尾气排放管道的截断面中呈现中间高(V

综上，本领域技术人员能够理解的是：

V

熵减＝分子运动趋向规律；

熵增＝分子运动趋向混乱。

呈现上述这样的流动特征的尾气分子和污染颗粒在接触触媒催化器前端表面后被预燃，经过预燃位置后，会在触媒催化器内，在预燃位置和火焰扩散后燃烧的位置(热点)之间形成较大范围的低效率区。

本发明附图1呈现了在现有技术中，在尾气排放管道内，高速流经所述尾气排放管道的尾气分子产生了较大的速度斜率，以及还示出了在触媒催化器内部的燃烧高温分布曲线，在所述触媒催化器中存在较大的少气体少颗粒低效率区。

在本发明的情况下，参见本发明附图2，在封闭的尾气排放管道内，在本发明的扰流预燃机构2之前，高速流经所述尾气排放管道的尾气分子的流速在尾气排放管道的截断面中同样呈现中间高(V

本发明附图2呈现了在本发明中，在尾气排放管道内，高速流经所述尾气排放管道的尾气分子受到扰流预燃机构2的干扰后，速度斜率出现降低的趋势以及还示出了在触媒催化器内部的燃烧高温分布曲线，在所述触媒催化器中的污染颗粒燃烧实现了面燃烧，从而在所述触媒催化器中少气体少颗粒低效率区出现减少的趋势。

在此需要说明的是，所述扰流预燃机构2实现所声称的技术效果是所述扰流器3和引燃网4以及任选的支撑架5共同作用的结果，尽管它们各自还起到各自不同的作用。

本发明附图3是包括本发明的扰流预燃机构2和触媒催化器1的扰流触媒催化器组件的分解示意图。

本发明附图4是用支撑架5将扰流器3和预燃网4接合在一起形成扰流预燃机构2的示意图，并示出扰流预燃机构2和触媒催化器1的尾气来气方向的上游。

在如上所述的本发明的触媒催化器组件中，所述扰流预燃机构2中的预燃网4还用于使在封闭的内燃发动机尾气排放管道内的尾气中的污染物(尤其是污染颗粒)提前预燃，使得触媒于后端承接火焰扩散及进行催化，减少无作用区域，增加贵金属涂覆催化面积即提升转化效率。换句话说，本发明的预燃网4是在污染颗粒擦碰到网体时，为其提供颗粒预燃的条件，使颗粒在碰触到触媒本体之前产生燃烧(转化)的现象，以增加触媒转化面积。在本领域现有技术中，一般的情况是污染颗粒在碰触到触媒本体之后才开始燃烧，在封闭的排气管管道内高速流动的尾气，继续将被预燃的污染颗粒向排气端推进，前进一段距离S后，颗粒开始燃烧。而本发明的预燃网提前预燃污染颗粒，污染颗粒在接触到触媒转化器前，并不具备燃烧的条件，在接触到触媒转化器时才会出现燃烧的现象，由于预先提供颗粒燃烧条件，所以颗粒于进入触媒本体后前进距离S’时产生燃烧。由于距离S必然大于距离S’，二者的差S–S’＝L，而L×蜂巢单格面积×蜂巢数量＝触媒总体增加的转化面积。本发明的预燃网的主要作用就是增加了触媒转化面积，提升了转化效率。

需要说明的是，因发动机排气量、排气管截面积、排气管长度、扰流器制造工艺、扰流器使用材质及扰流器尺寸大小的不同，尾气于通过扰流器后所产生的流体扰动距离与流动特征也会随之不同。本发明的技术方案所实现的技术效果正是通过将这些与发动机、排气管、扰流预燃机构2和触媒催化器相关的因素进行调整并使它们互相匹配来实现的。

本发明的扰流预燃机构2的目的是要将向中间位置集中的污染物(例如污染颗粒)尽量扩散，从而减少污染颗粒向排气管横截面的中央集中(熵减)的现象。这与背景技术部分中提及的CN20329438U所描述的内容是完全不同的且在结果上呈现相反的特征，同时与背景技术部分中提及的CN105971693A所述的用于使尾气“升温”的点火升温装置的特征也完全不同。

本发明的扰流预燃机构2中的预燃网是为了使污染颗粒达到可以燃烧的条件，造成污染颗粒可燃的状态，而不是燃烧污染颗粒物的现象，这样的经预燃的污染颗粒物在随后碰到触媒催化器1时，可以立即燃烧。这与本发明背景技术部分中提及的CN2531253Y和CN207761765U中的火花塞和燃烧器的功能是完全不同的，所述火花塞和燃烧器都是用于燃烧废气的目的。

本发明附图5是扰流预燃机构与触媒催化器组装于尾气排放管道内的解剖示意图。其中明确示意性示出了在尾气排放管道内，组成所述触媒催化器组件的扰流预燃机构(包括扰流器、预燃网和支撑架)和触媒催化器之间的相对位置关系。从尾气来气方向上游至下游，先后布置有扰流器、预燃网、支撑架和触媒催化器，它们分别与尾气排放管道彼此紧密配合使得流经所述尾气排放管道内的尾气基本上全部穿过所述扰流预燃机构和触媒催化器。

在如上所述的本发明的触媒催化器组件中，所述触媒催化器1是本领域中常用的触媒催化器或触媒转化器，其被装置于内燃发动机排气管或消声器内，对排放废气内所含污染物质进行催化转换作用。

应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。