專利名稱：帶具有不同流阻的可以由流體通過的流道的蜂窩體的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種蜂窩體，特別是用于排氣系統(tǒng)中廢氣催化反應(yīng)的催化劑載體。這種蜂窩體首先用在載重汽車、柴油機和快燃發(fā)動機中。
已知大量不同結(jié)構(gòu)的開頭所說的那種蜂窩體。它可以由陶瓷材料制成，特別是擠出成形。另一類蜂窩體由卷繞的，分層疊放的和/或交織的，至少部分地制有構(gòu)造的金屬板制成。其中這種蜂窩體的流道的流阻取決于它的形狀和它的壁板的構(gòu)造。它的形狀和大小決定其流通直徑，而在端部和/或流道內(nèi)部的構(gòu)造和/或障礙則可能額外地增大流阻。
因為通常在管道系統(tǒng)內(nèi)流體具有一個大致的拋物線形的速度圖，其中在中央流速最大，在邊緣等于0，因此已經(jīng)眾所周知，窩體做得使中央部位流阻大于外緣部位。例如在EP-0336106B1和EP-0542805B1中介紹了這種蜂窩體。按照現(xiàn)有的技術(shù)狀況通常從回轉(zhuǎn)對稱流動出發(fā)，所以具有不同流道截面的蜂窩體始終具有大致對稱的，通常是同心分布的不同橫截面的流道。在橢圓形窩體時時力求帶兩個相互垂直的對稱軸的相應(yīng)結(jié)構(gòu)。
其次由WO90/08249、WO91/01178和WO91/01807已知蜂窩體流道內(nèi)部的增大流阻的構(gòu)造。本發(fā)明明確地涉及這些資料中所敘述的蜂窩體和制造方法。
EP-0542775B1中也敘述了一種沿流動方向單位截面流道數(shù)增大的蜂窩體，盡管它是不可分割的。這種結(jié)構(gòu)形式對于本發(fā)明也有價值，因此本發(fā)明明確地涉及到這份文獻。
可以斷定，在某些排氣系統(tǒng)中，特別在發(fā)動機附近區(qū)域不存在對稱流動特性。由于在催化轉(zhuǎn)化器中所用的蜂窩體的結(jié)構(gòu)特性，特別是在發(fā)動機附近區(qū)域，偏心地和/或非對稱地入流，使得蜂窩體端面上一定的部位產(chǎn)生特別大的載荷，因此產(chǎn)生擴展性損壞和較小的使用壽命。
即使在采用電加熱蜂窩體時也會導致裝在它后面的蜂窩體的非均勻入流，因為電加熱蜂窩體可能會有用于電隔離的氣隙，它具有比電加熱蜂窩體的流道更小的流阻。
由WO92/13636已知一種用于排氣系統(tǒng)中廢氣催化反應(yīng)的裝置，它至少包括兩個相互間隔一定距離的，相對于廢氣流動方向依次排列的蜂窩體。每個蜂窩體具有可以讓流體通過的流道。在流動軸線附近設(shè)有支承元件，蜂窩體通過它們相互連接和相互支承。從流動方向看裝在前面的蜂窩體是可電加熱的?？呻娂訜岬姆涓C體在它的整個橫截面上通過陶瓷絕緣涂層電隔離，因此電流沿由隔離層給定的路徑流動。電加熱蜂窩體的任務(wù)是在內(nèi)燃機冷起動階段減少有害物質(zhì)排放。
其次已知，經(jīng)過可電加熱蜂窩體的導電路徑相對于相鄰零件的電絕緣由氣隙承擔。由P.F.Kuper等所寫的論文“極低功率的電加熱催化系統(tǒng)”(SAE技術(shù)報940465期)中敘述了一種這樣的裝置。氣隙促使蜂窩體非均勻的穿流，因為根據(jù)各個蜂窩體結(jié)構(gòu)的不同有一部分待轉(zhuǎn)化的流體通過氣隙流走。特別是當前一個蜂窩體中流道的尺寸做得接近于或者小于氣隙寬度時就會出現(xiàn)這種情況，因此迄今為止要避免這種情況的出現(xiàn)。因此在一定條件下在冷起動時一部分流體不轉(zhuǎn)化或者僅僅不充分地轉(zhuǎn)化，或者后接蜂窩體的局部區(qū)域受到更大的載荷。
本發(fā)明的目的在于制造一種蜂窩體，它能補償偏心和/或非對稱和/或非均勻入流，從而達到流動的均勻化和對于所有流動區(qū)域大致均勻的催化反應(yīng)。
按權(quán)利要求1的蜂窩體用來解決這個任務(wù)。優(yōu)良的結(jié)構(gòu)，特別是和一個后接的電加熱蜂窩體連接在一起在從屬的權(quán)利要求中陳述。
通過本發(fā)明可以對于每一種應(yīng)用場合提供最佳的蜂窩體，只要相應(yīng)于流動分布(通過試驗或計算求出)設(shè)置蜂窩體內(nèi)的流阻分布。在較強入流的區(qū)域至少在蜂窩體軸向長度的一部分上提高流阻，只要在這個區(qū)域設(shè)置較小的流道和/或額外地帶有增大流阻的構(gòu)造的流道。
這可以應(yīng)用于很多結(jié)構(gòu)類型的蜂窩體，但是在由至少部分地制成構(gòu)造的板制成的金屬蜂窩體中特別容易實現(xiàn)。特別是由至少一組相互交織的金屬板制成的蜂窩體可以通過應(yīng)用帶不同構(gòu)造高度的金屬板在一定的區(qū)域內(nèi)很容易地修改得與一定的入流條件相匹配。這里不管是單個偏心入流區(qū)域，還是兩個或幾個偏心入流區(qū)域可以通過相應(yīng)地改變構(gòu)造加以補償。
其次在應(yīng)用于所謂的帶一個連接在第二個蜂窩體前面的加熱催化劑的直通聯(lián)接結(jié)構(gòu)時本發(fā)明以下述基本設(shè)想為基礎(chǔ)，通過有目的地調(diào)整第二個蜂窩體中的流阻分布也對第一蜂窩體中流體的流動特性產(chǎn)生影響，這樣可以提高裝置的總的催化效果。流體的流動特性可以通過這樣的方法施加影響，使第二個蜂窩體至少在面對氣隙的區(qū)域內(nèi)具有比蜂窩體的其他區(qū)域大的流阻。通過這個措施達到減少流過氣隙的流體的流量，并使流體均勻地流入第二個蜂窩體。這時與第一個蜂窩體起催化作用的表面相接觸的流體分量得到提高，使得在冷起動時轉(zhuǎn)化程度得到改善。
為了提高第二個蜂窩體的流阻建議，第二個蜂窩體做得單位橫截面內(nèi)(包括考慮第二蜂窩體內(nèi)與氣隙相對的區(qū)域)具有比蜂窩體的其他區(qū)域數(shù)量更多的流道。通常它有一個前提條件兩個蜂窩體做得一樣，就可借助于實施例還要更詳細闡述的那樣。
代替在一定區(qū)域內(nèi)減小流道橫截面也可以通過在流道內(nèi)附加的構(gòu)造提高流阻。兩個措施可以單獨地，也可以共同地采用。在大多數(shù)情況下附加的構(gòu)造可以對蜂窩體內(nèi)的擴散過程產(chǎn)生有利影響，并因此起更好的催化作用。
單位面積內(nèi)的流道數(shù)量不管在與氣隙相對的區(qū)域還是在其余的橫截面區(qū)域可以在沿第二蜂窩體流動路徑的整個長度上保持不變。對于附加的構(gòu)造也一樣。特別是在長蜂窩體時這可能導致裝置非預期的、大的總壓力損失。因此優(yōu)選推薦帶第二個蜂窩體的裝置，它的流道數(shù)量相對于流動方向的橫截面是變化的。在與氣隙相對的區(qū)域內(nèi)的流道數(shù)量可以沿流動方向重新減少。在恒定的橫截面中流道數(shù)量的減少導致流道內(nèi)自由流通截面的擴大。由此可以在第二個蜂窩體后面或者裝置的后面調(diào)整成期望的流動圖，這對于排氣系統(tǒng)的噪聲抑制也可能是有價值的。
根據(jù)第二個蜂窩體長度的不同流道的橫截面可以加以優(yōu)化，使得一方面在與氣隙相對的區(qū)域內(nèi)流阻足夠大，促使流體均勻分布，另一方面裝置總的壓力損失不致太大。
在(本發(fā)明)裝置的一種優(yōu)良結(jié)構(gòu)中流道數(shù)量先是增加，然后沿流動方向減少。例如用這種方法可以實現(xiàn)一種蜂窩體，它相對于它的裝入方向是對稱的，從而使它不可能出現(xiàn)裝配錯誤?；蛟S通過這種結(jié)構(gòu)也可以充分利用蜂窩體抑制噪聲的特性。
通過P.F.Kuper等的論文已知一種裝置，在它里面有許多長的，其端部具有不同尺寸橫截面的支承元件在第一個和第二個蜂窩體之間延伸，并將它們機械連接，但是電氣相互絕緣。每個支承元件以它的較粗的末端至少部分地伸入第一個蜂窩體的流道，并以它較細的末端伸入第二個蜂窩體的流道，其中第一個可以電加熱的蜂窩體比第二個具有較少的相對于橫截面的流道數(shù)量。
與這些已知結(jié)構(gòu)形式不同現(xiàn)在起按本發(fā)明推薦一種裝置，這種裝置中伸入第二個蜂窩體流道內(nèi)的各個支承元件端部的橫截面大于伸入第一個蜂窩體流道內(nèi)的端部的橫截面。為此第二個蜂窩體具有這樣尺寸的流道，它的橫截面可以容納支承元件，而不損壞圍成流道的板壁。例如這可以通過一層或幾層具有比第二蜂窩體其他板更大波高的波紋板實現(xiàn)。
這種蜂窩體可以以眾所周知的類型由在橫截面內(nèi)大致呈S形走向的板(層)制成。這種蜂窩體可以通過一組板的端部相互交織來制造，這種蜂窩體中可以將不同局部的組由不同程度的波紋板分層疊放而成，以達到預期的結(jié)構(gòu)。其中通常應(yīng)用交替布置的平滑的和制有構(gòu)造的板，這里制有構(gòu)造的板具有不同的構(gòu)造，特別是波高。各組板的不同構(gòu)造承擔不同的任務(wù)。例如蜂窩體可以由兩組板制成，其中每組組板看作由相同構(gòu)造，但具有不同波高的板組成。第一組板和第二組板這樣地相互交織，使單位面積具有較多流道的第一組板位于和氣隙相對的部位，并只有第二組板容納支承元件。蜂窩體還可以包含具有其他波高的更多組板。
構(gòu)造在其縱向可以是不同長度的，使得沿蜂窩體縱向流阻有所變化，如由EP0542775B1所知的那樣，這里涉及它的全部內(nèi)容。
借助于圖形對本發(fā)明的其他細節(jié)和實施例作更詳細的闡述。它們表示

圖1裝置的正視圖；圖2通過按圖1的裝置的橫剖面；圖3第二個蜂窩體的示意正視圖4一個蜂窩體的縱剖面；圖5一個帶有附加構(gòu)造的蜂窩體流道的部分縱剖面；圖6由三組相互交織在一起的鐵板制成的蜂窩體的橫剖面示意圖，其中一組具有加大流阻的流道。
圖1和2表示本發(fā)明一種優(yōu)先采用的實施例。在排氣系統(tǒng)，特別是用于內(nèi)燃機，尤其是快燃發(fā)動機的排氣系統(tǒng)內(nèi)用于廢氣催化反應(yīng)的裝置包含一個第一蜂窩體1，它裝在距第二蜂窩體2一定距離處。兩個蜂窩體之間的距離例如在1到6mm之間，其中第二蜂窩體的端面可以是略微中凸地拱起的。第二蜂窩體2用來作為第一個較短的蜂窩體的支承。通過支承元件3將兩個蜂窩體1和2相互連接在一起，其中有強烈振動傾向的第一蜂窩體1支承在第二蜂窩體2上。第一蜂窩體1是可以電加熱的，并具有電絕緣間隙。
支承元件3具有一個伸入第一蜂窩體的細的端部18和一個伸入第二蜂窩體2的粗的端部17。細的端部18具有比粗的端部17更小的橫截面。
為了電加熱第一蜂窩體1與電絕緣地穿過外殼9的導線10和11相連。在第一蜂窩體時實施例中涉及到一種以眾所周知的方法由一組S形交織在一起的金屬板制成的物體。第一蜂窩體1在它的整個橫截面上通過氣隙4、5電分離。
按圖3示意地表示了同樣由一組S形交織在一起的金屬板制成的第二蜂窩體2，其中如果兩個蜂窩體(與所表示的不同)做得相類似(例如具有同樣的組高)，并且相互這樣地安排，使它們交織的方向和位置相同，對于按本發(fā)明裝置制造的簡單化是很有幫助的。一組(金屬板)包括平整板6和制有構(gòu)造的板7。板6和7圍成流體可以流通的流道8。在與氣隙4、5相對的區(qū)域內(nèi)第二蜂窩體2具有比在其他區(qū)域單位橫截面數(shù)量更多的小流道12。流道12同樣由制成構(gòu)造的板13和平整板14圍成。如果流道8的尺寸不足以容納支承元件3的粗的端部17，也可以設(shè)置一層或幾層具有更大波高的波紋板以容納支承元件3，但是它不一定要延伸到第二蜂窩體2的整個軸向長度上。
圖4中示意地表示第二蜂窩體2，它沿流動方向分成兩個區(qū)段A和B。用15和16表示單位橫截面內(nèi)具有更多流道數(shù)的兩個區(qū)域。區(qū)域15和16處于正對著氣隙的地方。區(qū)域15和16在蜂窩體的區(qū)段A上延伸。在區(qū)段B內(nèi)各個流道的橫截面處處相同，這樣的話，如果前面的部分A還設(shè)有用以容納支承元件3的較大波高的附加板層也是可以的。
圖5表示提高蜂窩體2的流道12的流阻的另一種可能性。通過在構(gòu)成流道12的至少一層金屬板、特別是在制有構(gòu)造的板13上的附加構(gòu)造19提高流阻。通常這也導致在涂有催化活性材料的蜂窩體中催化作用的提高，因為附加構(gòu)造19影響圖5中所示的流動圖9，并強化擴散過程。
圖6表示一種由三組相互交織在一起的金屬板構(gòu)成的蜂窩體的橫截面，它裝在一個外殼管20中。其中一組板至少部分地由具有比其余波紋板7較小構(gòu)造的板組成，使得在這一組中得到具有較小流通截面、因此有比較大的流阻的流道12。正是這里作為例子表示的由三組或更多組構(gòu)成的結(jié)構(gòu)形式允許通過組數(shù)和厚度的變化加上不同地制有構(gòu)造的板6、7在整個橫截面上流阻分布方面有很大的多樣性。
本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)狀況在蜂窩體整個橫截面上流阻的分布方面具有更大的靈活性，特別是通過單位橫截面不同數(shù)量的流道。這樣在一個至少由兩個蜂窩體組成的裝置中在第一蜂窩體中流通的不均勻性可以在第二蜂窩體中加以補償。
權(quán)利要求
1.蜂窩體(2)，特別是催化劑載體，帶許多可以由流體流通的流道(8、12)，其中第一部分流道(12)具有比第二部分流道(8)大的流阻，其中蜂窩體(2)至少具有一個偏心的、在圓周方向僅僅包含蜂窩體橫截面一部分的，具有高流阻的流道(12)的密集區(qū)(15、16)。
2.按權(quán)利要求1的蜂窩體，其特征在于具有較大流阻的流道(12)具有比其余流道(8)小一些的流通直徑。
3.按權(quán)利要求1或2的蜂窩體，其特征在于具有較大流阻的流道(12)在它的開頭和/或末尾和/或它的內(nèi)部具有附加的、阻礙流動的構(gòu)造(19)。
4.按權(quán)利要求1、2或3的蜂窩體，其特征在于蜂窩體(2)由至少部分地制有構(gòu)造的、構(gòu)成可流通的流道(8、12)的板(6、7、13、14)制成。
5.按權(quán)利要求4的蜂窩體，其特征在于蜂窩體至少包含一組交織的板層(6、7、13、14)，最好是兩組或多組，特別是由板層組構(gòu)成的組。
6.按權(quán)利要求4或5的蜂窩體，其特征在于一部分板(13)具有和其他板(7)不同的構(gòu)造，由此由這部分板制成的流道(12)具有比其他流道(8)大一些的流阻。
7.按上述權(quán)利要求之任一項的蜂窩體，其特征在于它由交替地平整的(6、14)和波紋的(7、13)板構(gòu)成，其中波紋板(7、13)至少具有兩種不同的波高，其中具有較小波高的板(13)構(gòu)成具有較大流阻的流道(12)。
8.用以清潔廢氣的、具有按上述權(quán)利要求之任一項的第二蜂窩體(2)的裝置，在第二蜂窩體前面裝有可電加熱的第一蜂窩體(1)，它同樣具有許多用以流過流體的流道，·其中蜂窩體(1，2)可以先后順序地流通，·其中可電加熱的蜂窩體(1)在它的整個橫截面上通過至少一個氣隙(4、5)電隔離，特別是曲折形的和/或螺旋形的，·其中第二蜂窩體(2)至少在與氣隙(4、5)相對的區(qū)域具有一個比蜂窩體(2)的其他區(qū)域有更大流阻的流道的密集區(qū)。
9.按權(quán)利要求8的裝置，其特征在于第二蜂窩體(2)內(nèi)與氣隙(4、5)相對的區(qū)域(15、16)內(nèi)單位橫截面的流道(12)的數(shù)量大于這個蜂窩體(2)其他區(qū)域內(nèi)(的數(shù)量)。
10.按權(quán)利要求8或9的裝置，其特征在于在與氣隙(4、5)相對的區(qū)域(15、16)內(nèi)單位橫截面流道(12)的數(shù)量沿流動方向是變化的。
11.按權(quán)利要求10的裝置，其特征在于流道的數(shù)量逐漸地變化。
12.按權(quán)利要求8至11之任一項的裝置，其特征在于第一蜂窩體(1)內(nèi)流道的最大直徑大致等于或小于氣隙(4、5)的平均寬度。
13.按權(quán)利要求8至11之任一項的裝置，其特征在于第一蜂窩體(1)具有比第二蜂窩體(2)大的單位橫截面流道數(shù)。
14.按權(quán)利要求8至13之任一項的裝置，其中有許多細長的、在其端部(17、18)具有不同大小橫截面的支承元件(3)在第一(1)和第二(2)蜂窩體之間延伸，并將它們機械連接，其中每個支承元件(3)至少部分地伸入第一蜂窩體和第二蜂窩體(1；2)的各一個流道，其特征在于各個支承體(3)伸入第二蜂窩體(2)流道的粗的端部(17)的橫截面大于伸入第一蜂窩體(1)的流道的細的端部(18)的橫截面。
15.按權(quán)利要求14的裝置，其中第二蜂窩體(2)包含分層設(shè)置的、至少部分地制有構(gòu)造的板(7、13)，它們形成大致沿流動方向分布的，由板的構(gòu)造確定其尺寸的流道(6、12)，其特征在于第二蜂窩體(2)至少包括兩類制有不同構(gòu)造的板。
16.按權(quán)利要求14或15的裝置，其特征在于第二蜂窩體(2)包括至少一個與氣隙(4、5)相對的具有較小波高的第一波紋板和至少一個容納支承元件的具有較大波高的第二波紋板。
17.按權(quán)利要求15或16的裝置，其特征在于制有不同構(gòu)造的板總是僅僅在蜂窩體(2)的前一個區(qū)段(A)上延伸。
18.按權(quán)利要求17的裝置，其特征在于在沿流動方向前后銜接的區(qū)段內(nèi)橫截面內(nèi)流道的數(shù)量沿流動方向增加或減少，特別是在具有較大波度的波紋板的后面增加和/或在具有較小波度的波紋板的后面減少。
19.按權(quán)利要求8至18之任一項的裝置，其特征在于第一(1)和第二(2)蜂窩體由相互交織在一起的、特別是由一組S形交織的板構(gòu)成，并安排成這樣，兩個蜂窩體交織的走向基本上相互對準，特別是S形交織的方向和組高相同。
全文摘要
本發(fā)明涉及一個蜂窩體(2),尤其涉及一種催化劑載體元件,該蜂窩體具有許多的通道(8,12),液體可以通過該通道流動。第一組通道(12)比第二組通道(8)的流阻高并且蜂窩體具有至少一個在圓周方向上僅僅覆蓋部分橫截面的、相對流阻高的這種通道(12)的偏心聚集或凝聚(15,16)。流阻較高的通道(12)的液壓直徑小于通道(8)并且在其入口和/或出口端和/或在其內(nèi)部具有阻流的附加結(jié)構(gòu)。因而可以這樣生產(chǎn)蜂窩體,即精確地限定整個截面上的流阻分布并與流動條件相匹配,將這樣的蜂窩結(jié)構(gòu)設(shè)置于具有電加熱和縫隙的蜂窩體的下游尤其有利。
文檔編號F01N3/28GK1175992SQ96192028
公開日1998年3月11日 申請日期1996年2月13日 優(yōu)先權(quán)日1995年2月20日
發(fā)明者羅爾夫·布呂克 申請人:發(fā)射技術(shù)有限公司