УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ПРОТИВОДАВЛЕНИЯ В ДВИГАТЕЛЕ
DEVICE AND METHOD FOR REDUCING COUNTER-PRESSURE IN ENGINE

Изобретение относится к области каталитических конвертеров.
Каталитические конвертеры широко применяются в системах выпуска автомобилей для снижения токсичности выхлопа. В типичном каталитическом конвертере субстрату придается форма пористой структуры, которая покрывается катализирующими материалами. Пористая структура часто является керамикой, экструдированной через формующую головку таким образом, чтобы получить большое количество параллельных каналов потока (ячеек). Отработавший газ удаляется на скорости двигателем и направляется к каталитическому конвертеру через выхлопную трубу. Каталитический конвертер в типичном случае размещается в металлическом глушителе, имеющем диаметр больше диаметра выхлопной трубы, который связан с остальной частью системы выпуска секциями расширяющейся трубы, именуемые впускным и выпускным диффузорами.
Введение каталитического конвертера в систему выпуска может препятствовать газовому потоку, создавая противодавление, которое может значительно снижать мощность двигателя и увеличивать расход горючего.
Одним объектом настоящего изобретения является получение улучшенного каталитического носителя, предназначенного для применения с глушителем в автомобильной системе выпуска, при этом носитель имеет тип, который предназначается для размещения в глушителе. Усовершенствование согласно этому объекту изобретения содержит изолирующий материал, термически разделяющий носитель в центральной зоне и внешней трубчатой зоне, окружающей центральную зону, при этом изолирующий материал, центральная зона и внешняя зона вместе ограничивают модифицированный носитель, при этом изолирующий материал приспосабливается таким образом, что в рабочем режиме поток газа через модифицированный носитель отличается статическим давлением, которое на передней по ходу поверхности модифицированного носителя:
- имеет пиковое значение в точке, в общем смысле центральной по отношению к передней по ходу поверхности модифицированного носителя;
- снижается, когда передняя по ходу поверхность радиально продолжается от данной точки к периферии, кроме подъема после передней по ходу поверхности, продолжающейся вне изолирующего материала, и связанных с глушителем краевых эффектов.
В данном описании и в прилагаемой формуле изобретения «в основном центральная» понимается как охватывающее точку, которая является внутренней по отношению к внешнему периметру и часто, но не исключительно, находится ближе к центру, чем к периметру.
Согласно другому объекту изобретения, в указанном режиме работы: при продолжении передней по ходу поверхности в радиальном направлении от данной точки к периферии статическое давление на нее газа сначала может относительно медленно снижаться; при дальнейшем продолжении передней по ходу поверхности для соединения с изолирующим материалом статическое давление газа на ней может снижаться относительно быстро по мере того, как передняя по ходу поверхность пересекает изолирующий материал; при дальнейшем продолжении передней по ходу поверхности статическое давление газа на ней может тогда подвергнуться указанному подъему; и когда передняя по ходу поверхность продолжается еще далее, статическое давление газа на ней может затем относительно медленно снижаться, если не считать указанных, связанных с глушителем краевых эффектов.
Согласно другому объекту изобретения, изолирующий материал и внешняя зона могут быть трубчатыми.
Согласно еще одному объекту изобретения, отношение объема центральной зоны к объему внешней зоны может находиться в диапазоне от 60:40 до 40:60.
Согласно еще одному объекту изобретения, изолирующий материал может быть приспособлен таким образом, чтобы в указанном эксплуатационном режиме перепад температур поперек изолирующего материала мог составлять по меньшей мере 25°C.
Изолирующий материал может быть приспособлен таким образом, чтобы в указанном эксплуатационном режиме перепад температур поперек изолирующего материала мог составлять между 25°C и 300°C.
В указанном эксплуатационном режиме поток газа через центральную зону может быть распределен более равномерно, чем поток газа, который проходил бы через него, если бы участок изоляции модифицированного носителя был заменен каталитическим материалом.
Образующим другой объект настоящего изобретения является получение улучшенного каталитического носителя, предназначенного для применения с глушителем в автомобильной системе выпуска, при этом носитель имеет тип, который предназначается для размещения в глушителе.
Данное усовершенствование содержит: изолирующий материал, термически разделяющий носитель на центральную зону и трубчатую внешнюю зону, окружающую центральную зону, при этом изолирующий материал, центральная зона и внешняя зона все вместе определяют модифицированный носитель, при этом изолирующий материал адаптирован таким образом, чтобы в эксплуатационном режиме перепад температур поперек изолирующего материала составлял по меньшей мере 25°C.
Толщина изолирующего материала может быть по существу шириной в 2 или 3 ячейки.
Другим объектом данного изобретения является способ, обеспечивающий переработку выбросов из двигателя внутреннего сгорания. Данный способ содержит этап обеспечения каталитического конвертера, улавливающего отработанные газы из двигателя. Этот конвертер имеет центральную зону, трубчатую внешнюю зону, окружающую центральную зону, и изолирующий материал, расположенный в промежутке между центральной зоной и внешней зоной. Изолирующий материал адаптирован таким образом, чтобы при работе газовый поток через модифицированный носитель отличался бы статическим давлением, которое на передней по ходу поверхности модифицированного носителя:
- имело пиковое значение в точке, в общем смысле центральной по отношению к передней по ходу поверхности модифицированного носителя;
- при радиальном продолжении передней по ходу поверхности от данной точки к периферии снижалось, кроме
- подъема после передней по ходу поверхности, продолжающейся вне изолирующего материала, и
- краевых эффектов, связываемых с глушителем.
Согласно еще одному варианту выполнения изобретения, в указанном режиме работы: при продолжении передней по ходу поверхности в радиальном направлении от данной точки к периферии статическое давление на нее газа сначала может уменьшаться относительно медленно; при дальнейшем продолжении передней по ходу поверхности для соединения с изолирующим материалом статическое давление газа на ней может снижаться относительно быстро по мере того как передняя по ходу поверхность пересекает изолирующий материал; при дальнейшем продолжении передней по ходу поверхности статическое давление газа на ней может тогда подвергнуться указанному подъему; и когда передняя по ходу поверхность продолжается еще далее, статическое давление газа на ней может затем относительно медленно снижаться, если не считать указанных, связанных с глушителем краевых эффектов.
Изолирующий материал и внешняя зона могут быть трубчатыми.
Отношение объема центральной зоны к объему внешней зоны может находиться в диапазоне от 60:40 до 40:60.
Изолирующий материал может быть приспособлен таким образом, чтобы в указанном эксплуатационном режиме перепад температур поперек изолирующего материала мог составлять по меньшей мере 25°C.
Согласно еще одному объекту изобретения, изолирующий материал может быть приспособлен таким образом, чтобы в указанном эксплуатационном режиме перепад температур поперек изолирующего материала мог быть между 25°C и 300°C.
Согласно другому объекту изобретения, в указанном эксплуатационном режиме поток газа через центральную зону может быть распределен более равномерно, чем поток газа, который проходил бы через него, если бы участок изоляции модифицированного носителя был заменен каталитическим материалом.
Согласно другому объекту, толщина изолирующего материала может быть по существу шириной в 2 или 3 ячейки.
Другие объекты и признаки раскрываемого здесь изобретения будут очевидны среднему специалисту в данной области из рассмотрения следующего описания и прилагаемой формулы изобретения с обращением к чертежам, кратко описываемым далее.
Фиг. 1A является видом сбоку в разрезе устройства согласно первому варианту осуществления изобретения.
Фиг. 1B представляет устройство с фиг.1A в разрезе.
Фиг. 1C - вид, аналогичный фиг. 1B, иллюстрирующий второй вариант осуществления.
Фиг. 1D - вид, аналогичный фиг. 1B, иллюстрирующий третий вариант осуществления.
Фиг. 1E - вид, аналогичный фиг.1B, иллюстрирующий четвертый вариант осуществления.
Фиг. 2A является видом сбоку в разрезе устройства согласно пятому варианту осуществления.
Фиг. 3 является графиком изменения величины противодавления в двигателе согласно примеру 1.
Фиг. 4 является графиком изменения частоты вращения двигателя при описанном в примере 1 цикле старения, вверху показаны результаты для базовой модели, а внизу представлены данные опытного образца.
Фиг. 5 является сравнением выбросов как базовой модели, так и опытного образца в ходе испытательных ездовых циклов FTP и US06.
Фиг. 6 представляет общий обзор результатов CFD моделирования (моделирование с применением методов вычислительной газодинамики) для базовой модели и опытного образца.
Фиг. 7 отображает графики газопроницаемости в отнесении к давлению при низких (слева) и высоких (справа) скоростях газового потока.
Фиг. 8 представляет графики скоростей на выходе (слева) и однородности потока (справа) для базовой модели и опытного образца.
Фиг. 9 является графиками, представляющими различия по времени и температурам между центральными и периферийными зонами в стандартном (слева) и опытном образце (справа) конвертера, измеренные в ходе испытаний ездового цикла FTP на автомобиле Ford Edge модельного ряда 2010 г.
Фиг. 10 являются графиками температурных различий между центральной и периферийной зонами опытного образца, полученными на участках ускорения ездового цикла FTP.
Фиг. 11 представляет кривые изобар фронтального разреза модели каталитического конвертера в условиях движения по шоссе (массовая скорость потока =0,05 кг/с) на модели горячего потока, включающей влияние температуры, при этом базовая модель показана слева, а опытный образец справа.
Фиг. 12 демонстрирует сравнение скоростей потока в опытном образце (слева) и базовой модели (справа).
Фиг. 13 является графиком, отображающим противодавление в двигателе в зависимости от расположения изолирующего слоя.
Фиг. 14 является графиком, отображающим действие противодавление как функцию толщины изолирующего слоя.
Фиг. 15 является графиком, отображающим противодавление в фунтах в квадратный дюйм (фунт/кв. дюйм) в ходе испытания на пиковую мощность одного воплощения изобретения, выполненного на роликовом испытательном стенде для шасси.
Фиг. 16 является графиком сравнения мощности двигателя в лошадиных силах (л.с.) в ходе испытания пиковой мощности.
Фиг. 17 является графиком сравнения крутящего момента двигателя в футо-фунтах (фут-фунт) в ходе испытания пиковой мощности.
Фиг. 18 отображает соотношение воздух-топливо в ходе испытания пиковой мощности.
Фиг. 19 является графиком, отображающим противодавление в двигателе в зависимости от расположения изолирующего слоя.
Варианты осуществления изобретения показаны на фиг. 1A-2A.
Фиг. 1A, 1B и 2A представляют устройство 100 каталитического конвертера согласно первому примеру осуществления изобретения.
Это устройство 100 предназначается для применения в системе выпуска двигателя внутреннего сгорания (не показан), видно, что оно включает кожух 102, впуск 104 газа, выпуск 106 газа, размещенный на некотором расстоянии от впуска 104, и овальный элемент 108 носителя, который по существу заполняет кожух 102 в радиальном или горизонтальном измерении относительно оси газового потока от впуска 104 к выпуску 106. Элемент 108 носителя содержит овальный элемент 110 перераспределения потока, изготовленный из изолирующего материала, который термически и физически разделяет носитель на центральную зону и трубчатую внешнюю зону, окружающую центральную зону. И центральная зона, и внешняя зона представляют собой экструдированные керамические соты, покрытые каталитическим материалом, и видно, что кроме формы и ориентации по отношению друг к другу и размещения изолирующего материала, имеют обычную структуру.
Фиг. 1C показывает второй пример осуществления, в котором четыре кольцевых сегмента 110a, 110b, 110c и 110d ограничивают элемент 110 распределения потока. Таким образом, в данном случае изолирующий материал не разделяется физически на центральную зону и внешнюю зону, но продолжает их разделять термически.
Фиг. 1D иллюстрирует третий пример осуществления, в котором элемент распределения потока является цилиндрическим.
Фиг. 1Е показывает четвертый пример осуществления, в котором элемент распределения потока является цилиндрическим и ограничивается четырьмя сегментами 110a, 110b, 110c и 110d.
Хотя это и неявно различимо на чертежах, следует учесть, что в каждом иллюстрируемом варианте носитель является носителем, имеющим плотность в 400 рядов на один дюйм, толщина изолирующего материала соответствует ширине 2 ячеек и отношение объема центральной зоны к внешней зоне равняется примерно 50:50.
Изолирующий материал адаптирован таким образом, чтобы при эксплуатации и нахождении в рабочем режиме:
- газовый поток через модифицированный носитель отличался бы статическим давлением, которое на передней по ходу поверхности модифицированного носителя: имело пиковое значение в точке, в общем смысле центральной по отношению к передней по ходу поверхности модифицированного носителя и снижалось при продолжении передней по ходу поверхности в радиальном направлении от точки к периферии, за исключением (i) повышения после продолжения передней по ходу поверхность за пределы изолирующего материала и (ii) краевых эффектов, связанных с глушителем;
- при продолжении передней по ходу поверхности в радиальном направлении от данной точки к периферии статическое давление на нее газа сначала может относительно медленно уменьшаться; при дальнейшем продолжении передней по ходу поверхности для соединения с изолирующим материалом статическое давление на нее газа может снижаться относительно быстро по мере того как передняя по ходу поверхность пересекает изолирующий материал; при дальнейшем продолжении передней по ходу поверхности статическое давление газа на ней может тогда подвергнуться указанному подъему; и когда передняя по ходу поверхность продолжается еще далее, статическое давление газа на ней может затем относительно медленно снижаться, если не считать указанных, связанных с глушителем краевых эффектов;
- перепад температур поперек изолирующего материала составляет между 25°C и 300°C; и
- поток газа через центральную зону распределяется более равномерно, чем поток газа, который проходил бы через него, если бы участок изоляции модифицированного носителя был заменен каталитическим материалом.
Фраза «в рабочем режиме» при ее использовании в данном описании и формуле изобретения предполагает, что при штатном функционировании это состояние достигается естественным образом и для материального участка нормального рабочего цикла.
Далее делается обращение к следующему описанию выполненных испытаний и анализов, которые в совокупности обеспечивают понимание действия изобретения и демонстрируют его преимущества.
Испытание на старение.
Измерения противодавления в двигателе выполнялись в ходе циклов старения на двигателе. В качестве основной испытательной платформы применялся промышленный каталитический конвертер Ford Edge для 3,5 л двигателя Duratec. Этот конвертер состоит из переднего керамического носителя с плотностью 900 рядов на дюйм и заднего керамического носителя с плотностью 400 рядов на дюйм, оба диаметром 4,16ʺ, и непосредственно присоединен к двигателю. Эта автомобильная система выпуска состоит из двух параллельно подключенных каталитических конвертеров, по одному с каждой стороны двигателя, и в дальнейшем именуется левосторонним (LH) и правосторонним (RH) каталитическим конвертером. Было выполнено два комплекса испытаний на протяжении приблизительно 18 месяцев, при этом каждый включал немодифицированный (в дальнейшем в ряде случаев именуемый базовой моделью) каталитический конвертер и идентичный каталитический конвертер, модифицированный в соответствии с идеей данного изобретения (в дальнейшем именуемый опытным образцом). Металл платиновой группы (PGM) и нанесение покрытия из пористого оксида для базовой модели и опытного образца были идентичными. Старение проводилось в течение 240 часов с вплоть до 20 часов работы двигателя на холостом ходу при постоянной частоте вращения (2900±15 об/мин) и температуре выхлопа (1570°F). Противодавление регистрировалось с частотой 1 Гц в течение всего цикла старения и рассчитывалось по среднему активной части цикла, где частота вращения и температура находились на надлежащем уровне.
Таблица 1 представляет результаты измерений противодавления в двигателе и расхода горючего при испытаниях на двигателе базовой модели и опытных образцов. Предполагается, что два опытных образца с 400 рядами на дюйм приближенно представляют меру противодавления, развиваемого остальной частью системы выпуска, при том, что сами они не вносят вклад в величину противодавления. Были вычислены массовые скорости потока с использованием показателя отношения воздуха к топливу 14,7±0,2, данное соотношение было получено измерениями в течение цикла.
Данные результаты показывают, что опытный образец демонстрирует значительно более низкое противодавление, чем базовая модель, давая лишь 48% противодавления в двигателе.
0
0
2
Эти измерения завышают данные по эффективности опытного образца по сравнению с базовой моделью, при этом базовая модель имеет значительно более высокий расход горючего (4,7 против 4,2 галлон/час), развивая поток с более высокой массовой скоростью. Чтобы получить более точную величину снижения противодавления, диспропорция в отношении массового расхода была скорректирована с привлечением закона Бернулли, который указывает, что динамический напор P=P+ρv, где P является статическим давлением в системе, ρ - плотностью газа и v - скоростью газа. Добавочная корректировка была сделана с тем, чтобы учесть различия в скорости отработанного газа, исходящего из каталитического конвертера. (Конструктивное решение данного изобретения снижает скорость газа, исходящего из каталитического конвертера, что означает, что любые находящиеся далее компоненты будут генерировать противодавление в меньшей степени). Скорректированные величины для базовой модели и опытного образца дают 1,17 и 0,78 фунт/кв. дюйм, соответственно, различие 33% (по сравнению с 50% согласно измерению).
Испытание на пробег
2
Опытные образцы были протестированы на автомобиле Ford Edge с 3,5 л двигателем Duratec. Экономия топлива для объединенных ездовых циклов FTP и US06 измерялась взвешиванием мешков с выбросами CO. Результаты показаны в таблице 2 и представляют два комплекса опытных образцов. Помимо этого, базовая модель 2010 была подвергнута повторному испытанию, чтобы обеспечить сравнение между двумя комплексами тестов.
Опытные образцы показывают экономию топлива приблизительно в 4,5% как в случае комплексов опытных образцов 2010, так и 2012. Результаты измерений противодавления в двигателе базовой модели с 900 рядами на дюйм соответствовали нижнему пределу обозначенного изготовителем диапазона (2,0±0,25 фунт/кв. дюйм). Базовые модели 2010 с 900 рядами на дюйм и 2012 с 900 рядами на дюйм показали хорошую плотность (1,88 и 1,81 фунт/кв. дюйм, соответственно). При происходящих благодаря улучшениям в экономии топлива изменениях в газовом потоке опытный образец с 900 рядами на дюйм демонстрирует 20-30% улучшение в отношении противодавления. Опытный образец с 900 рядами на дюйм показал значительно улучшенную экономию топлива, приблизительно в 5% для объединенных ездовых циклов FTP и US06 и 12% в ходе старения на 2900 об/мин. Обратная связь от двигателя по сниженному противодавлению значительно сокращает расход горючего, приводя к дальнейшему уменьшению противодавления, создавая 50% разность в противодавлении между имеющими по 900 рядов на дюйм базовой моделью и опытным образцом (1,88 против 0,91 фунт/кв. дюйм).
Было найдено, что полезный эффект экономии топлива опытного образца зависит от нагрузки на двигатель и частоты его вращения.
2
2
2
Фиг. 5 представляет сравнение базовой модели с 900 рядами на дюйм и опытным образцом с 900 рядами на дюйм в отношении выбросов CO (вверху) и объемов отработанного газа (внизу) в качестве функция частоты вращения в ходе ездовых циклов FTP и US06. Для лучшей статистической надежности величины оборотов двигателя автомобиля группировались по 5 диапазонам: <1000, 1000-1500, 1500-2000, 2000-2500 и >2500 об/мин. Планки погрешностей частоты вращения отображают эти диапазоны для каждой точки. Эта фигура (вверху) показывает зависимость выбросов CO от оборотов автомобиля в ходе ездовых циклов FTP и US06. Они ответственны за расход горючего (более высокое потребление, выше выбросы CO) и показывают, что полезный эффект экономии топлива более выражен при более высоких оборотах двигателя, а также они сопровождаются снижением показателей измерений объемов отработанного газа.
Это согласуется с полезным эффектом экономии топлива, получаемым благодаря уменьшению противодавления; при более высоких оборотах автомобилю требуется продавливать больше отработанного газа через каталитический конвертер, генерируя более высокое противодавление и снижая эффективность двигателя. Эти результаты также согласуются с данными по противодавлению, полученными на стационарном двигателе на 2900 об/мин, где между базовой моделью с 900 рядами на дюйм и опытным образцом с 900 рядами на дюйм наблюдалось приблизительно 12% различие.
Дорожное испытание
Кроме того, было выполнено испытание с целью проверки кросс-платформенной применимости полезного эффекта экономии топлива опытным образцом. Применялись два различных испытательных автомобиля: Ford F-150 с 3,5 л двигателем EcoBoost и Ford Fiesta с 1,6 л двигателем. Автомобили ездили по кольцевому шоссейному маршруту протяженностью 60 км (37,3 мили) на скорости 115 км/ч (72 мили в час) и их расход горючего регистрировался массовым расходомером, связанным с компьютерной системой сбора и обработки данных на ноутбуке. Регистрировался средний расход горючего для каждого автомобиля, оснащенного его оригинальным каталитическим конвертером (базовая модель) и опытным образцом. Каждый тест состоял из 5-8 заездов для базовой модели и такого же количества заездов для опытного образца. Кроме того, был протестирован Ford F-150 с 900 кг (2000 фунтов) груза в кузове. Результаты испытаний с соответствующими среднеквадратичными отклонениями показаны в таблице 3.
Результаты дорожных испытаний согласуются с предыдущими лабораторными испытаниями на автомобиле Ford Edge. Кроме того, Ford F-150 показывает такую же зависимость полезного эффекта экономии топлива и загрузки автомобиля, как и наблюдавшаяся в лаборатории.
Динамометрические испытания
Было выполнено испытание на роликовом стенде для шасси автомобиля F-250 с дизельным 6,7 л двигателем Powerstroke. Были выполнены сравнительные измерения показателей оригинального каталитического конвертера (обозначаемого здесь как база или базовая модель) и каталитического конвертера, модифицированного в соответствии с конструктивным решением данного изобретения (опытный образец). Оригинальный каталитический конвертер состоял из двух керамических носителей для дизельного окислительного катализатора (DOC, диаметр 6,5ʺ), двух катализаторов избирательного каталитического восстановления (SCR, диаметр 8ʺ) и сажевого фильтра для дизельного двигателя (DPF, диаметр 8ʺ). Конструктивное решение изобретения было применено к двум носителям DOC, оставляя неизменными SCR и DPF. DOC является компонентом, наиболее близко расположенным к двигателю, и способен перераспределять любые диспропорции потока выхлопных газов прежде, чем отработанный газ достигает SCR и DPF.
Были выполнены испытания двух типов. Одно являлось испытанием в установившемся режиме экономии топлива и противодавления, при котором эти два параметра оценивались одновременно в ходе 5-минутного эксперимента в установившемся режиме на скорости автомобиля 96 км/час (60 миль в час). Другое испытание касалось пиковой мощности, при котором автомобиль был переведен на высшую 6-ю передачу на 1000-1100 об/мин и подвергался максимальным ускорениям в течение приблизительно 10 секунд, в то время как производилась регистрация различных параметров двигателя (таких как мощность двигателя, вращающий момент и противодавление).
Таблица 4 представляет сравнительные данные измерений противодавления и эффективности использования топлива на модифицированном F-250 6,7 л дизельном двигателе Powerstroke. Эти два параметра измерялись одновременно на роликовом испытательном стенде для шасси в ходе 5-минутного заезда на 96 км/час (60 миль в час). Показанные величины являются средними для участка заезда в установившемся режиме, охватывающем приблизительно 4 минуты.
Сведенные в таблицу 4 результаты показывают устойчивое снижение противодавления и более низкий расход горючего в случае опытного образца. Хотя при 30% нагрузке разница в противодавлении немного более низка, полезный эффект в отношении расхода горючего в случае опытного образца выше. Это происходит потому, что связанное с противодавлением возрастание расхода горючего выше при более высоких абсолютных величинах противодавления; это создает общий высокий уровень потерь, который снижается благодаря более низкому противодавлению опытного образца.
Фиг. 15-18 показывают различные результаты, собранные в ходе динамометрических испытаний шасси.
Фиг. 15, которая является сравнением противодавления в фунтах на квадратный дюйм (фунт/кв. дюйм) в ходе испытания пиковой мощности, демонстрирует устойчивое преимущество опытного образца, составляющее 2 фунт/кв. дюйм.
Фиг. 16, которая является сравнением мощности двигателя (л.с.) в ходе испытания пиковой мощности, показывает, что опытный образец демонстрирует устойчивое 20 л.с. преимущество от 175 до 325 л.с.
Фиг. 17, которая является сравнением крутящего момента двигателя в футо-фунтах (фут-фунт) в ходе испытания пиковой мощности, показывает, что опытный образец демонстрирует устойчивое 40-60 фут-фунт преимущество.
Фиг. 18, которая отображает соотношение воздух-топливо в ходе испытания пиковой мощности, не показывает никаких различий между прототипом и базовой моделью.
Моделирование
Было выполнено моделирование с применением методов вычислительной газодинамики (CFD), исследующее причины снижения противодавления в опытном образце, на двух каталитических конвертерах типичной, размещаемой под днищем автомобиля конструкции. Моделируемая система была осесимметричной системой с комнатной температурой (текучесть на холоду), с одинаковыми впускными и выпускными трубами и двумя одинаковыми керамическими носителями. Проницаемость носителей варьировала в широком диапазоне значений, чтобы охватывать все принятые в настоящее время плотности ячеек носителя и толщины стенок. Скорость входного газового потока также варьировала в широком диапазоне с тем, чтобы моделировать различные величины нагрузки на двигатель, которая могла бы испытываться автомобилем в нормальных эксплуатационных условиях.
Фиг. 6 представляет обзор результатов моделирования, отображая амплитуду значений проницаемости и скоростей газа, использовавшихся при исследовании, и можно видеть, что опытный образец демонстрирует более низкое противодавление в условиях большинства состояний двигателя и проницаемости носителя.
Фиг. 7 сопоставляет снижение противодавления при низких (слева) и высоких (справа) скоростях газового потока, и здесь заметно, что между базовой моделью и опытным образцом имеется небольшое различие при низких скоростях и явная разность при высоких газовых потоках.
Фиг. 8 сравнивает скорости на выходе (слева) и однородность потока (справа) базовой модели и опытного образца, и здесь видно, что при всех рабочих режимах скорость отходящего газового потока у опытного образца меньше, чем у базовой модели, и однородность потока также более высока при всех скоростях входящего газового потока. Это ведет к снижению противодавления далее по ходу и особенно благоприятно в случае систем с глухим соединением.
Фиг. 9 показывает различия в температурах между центральной и периферийной зонами в стандартном каталитическом конвертере (слева) и опытном образце (справа), полученные измерениями в ходе испытаний ездового цикла FTP на автомобиле Ford Edge модельного ряда 2010 г. Граница между двумя зонами ограничивается в опытном образце положением изоляции. Здесь видно, что наличие и локализация изоляции в опытном образце создает значительный температурный перепад между двумя сторонами изоляции.
Кроме того, было также выполнено CFD-моделирование. На этой модели осуществлялось моделирование каталитического конвертера. Конвертер состоял из двух носителей по 400 рядов на дюйм, 4,8ʺ в диаметре (12,2 см), расположенных через промежуток в 0,4ʺ (1 см). Моделируемый магистральный трубопровод был длиной 39,4ʺ (1 метр) с диаметром 2,1ʺ (5,4 см). Длина модельной выпускной трубы составляла 11,8ʺ (30 см) при таком же диаметре 2,1ʺ. В данной модели и распылитель, и соединитель имеют углы 45 градусов, и между носителями и стенкой преобразователя имеется уплотнение толщиной 0,15ʺ. Моделируемый выпускной газовый поток имел скорость 0,426 кг/с и температуру 910°C, аппроксимируя условия передвижения по шоссе.
Результаты моделирования показаны на фиг. 13, 14 и 19.
Фиг. 13 отображает противодавление в двигателе в зависимости от расположения изолирующего слоя. В этой модели толщина изоляции составляет 0,12ʺ, пунктирная линия представляет противодавление при отсутствии изоляционного слоя, скорость потока выхлопных газов равна 0,426 кг/с, аппроксимируя условия движения по шоссе, и температура отработанного газа составляет 910°C.
Фиг. 14 показывает действие противодавления как функции толщины изоляционного слоя, моделируемое при оптимальном диаметре изоляции 2,75ʺ. Моделировались три варианта толщины изоляции: 0,04ʺ (1 мм), 0,12ʺ (3 мм) и 0,20ʺ (5 мм).
Фиг. 19 отображает противодавление в двигателе в зависимости от расположения изолирующего слоя. В этой модели толщина изоляции составляет 0,12ʺ, пунктирная линия представляет противодавление при отсутствии изоляционного слоя, скорость потока выхлопных газов равна 0,229 кг/с, аппроксимируя условия движения по шоссе, и температура отработанного газа составляет 538°C.
Фиг. 13 и 14 наглядно демонстрируют оптимизацию противодавления в двигателе, когда диаметр изоляции равен 2,75ʺ. Хорошие результаты, <75% максимального эффекта, были получены с диаметром изоляции между 2,3ʺ и 3,1ʺ. Толщина изоляции 0,12ʺ (3 мм) в этой заявке выглядит оптимальной.
Фиг. 19 показывает, что оптимальное положение изоляции остается неизменным вне зависимости от условий движения (газовый поток и температура). Эти результаты ясно демонстрируют, что при том, что данное изобретение способно снижать противодавление при различных положениях и толщинах изоляции, максимальные рабочие характеристики могут быть получены путем оптимизации эти двух параметров. Эти параметры применимы при всех условиях движения.
Теоретические расчеты
Массовая скорость потока газа через канал может быть приближенно выражена уравнением
где R - диаметр канала, ΔP - перепад давления между двумя концами канала, η - динамическая вязкость газа, L - длина канала и ρ - плотность газа.
Из этих факторов наиболее существенными для производительности каталитического конвертера являются разность давлений, вязкость газа и плотность газа.
- Влияние разности давлений было обсуждено ранее и можно напомнить, что увеличение перепада давления приводит к более высокой скорости потока газа.
- Вязкость отработанного газа, обычно именуемая динамической вязкостью (η), является обратно пропорциональной скорости газового потока, то есть более низкая вязкость приводит к более высокой скорости потока.
- Плотность газа прямо пропорциональна скорости потока выхлопных газов.
Динамическая вязкость (η) и плотность (ρ) могут быть объединены в кинематическую вязкость (ν), равную их отношению (ν=η/ρ).
Формула для массовой скорости потока газа через канал тогда может быть перезаписана как:
Динамическая вязкость воздуха возрастает с увеличением температуры, в то время как ее плотность уменьшается. Таким образом, газ при более высокой температуре будет иметь более низкую скорость потока через один и тот же канал с одинаковым перепадом давления. Кинематическая вязкость особенно удобна при выражении влияния температуры, поскольку она включает изменения с температурой и вязкости, и плотности.
Изоляция делит носитель на две явно выраженные зоны: горячую зону, которая подвергается прямому действию потока отработанного газа, поступающего из впускной трубы каталитического конвертера, и непосредственно нагревается горячим газом, и холодную зону, которая подвергается действию только осевого потока отработанного газа и нагрев которой определяется комбинацией горячего газа и теплопередачи из горячей зоны. Как правило, горячая зона также будет локализацией большой области высокого давления, и поэтому для достижения снижения противодавления необходимо перераспределить газ из горячей зоны в холодную зону.
В традиционном каталитическом конвертере никакого барьера для теплового потока между двумя зонами не существует, и различия в температурах обычно очень плавные. В опытном образце изоляция образует барьер, который создает большой (25-300°C) температурный перепад на малом промежутке ширины изоляции. Более низкая температура в холодной зоне опытного образца означает, что даже при одинаковом распределении давления по лицевой поверхности носителя скорость потока выхлопных газов через эту зону в опытном образце будет более высокой, чем в стандартном каталитическом конвертере.
Таблица 5 представляет данные по динамической (η) и кинематической (ν) вязкости воздуха при различных температурах, подтверждая, что величина вязкости изменяется с изменением температуры.
Следует учесть, что различия в кинематической вязкости при 100°C разнице температур являются большими даже при высоких температурах. Между 225 и 325°C различия составляют 26%, снижаясь до 17% между 525 и 625°C и 16% между 625 и 725°C.
Фиг. 10 представляет температурные различия между центральной и периферийной зонами опытного образца, полученными на участках ускорения ездового цикла FTP. Показано, что типичный перепад температур при ускорении в ездовом цикле FTP составляет приблизительно 50°C с пиковыми всплесками вплоть до 250°C во время агрессивного ускорения. Это ведет к разности в кинематической вязкости по меньшей мере 8% и в типичном случае между 10 и 15%, даже вблизи верхней температурной границы диапазона.
В настоящем изобретении используется преимущество сниженной вязкости, полученное с помощью изоляции при перераспределении газового потока от центральной зоны к периферийной зоне, как видно из фиг. 11, которая является изобарической кривой фронтального разреза модели каталитического конвертера в условиях движения по шоссе (массовая скорость потока =0,05 кг/с) на модели горячего потока, включающей влияние температуры. Базовая модель представлена слева, а опытный образец справа. Диаграмма изобарических кривых ясно демонстрирует различие в форме области высокого давления на передней стороне керамического носителя (выделено красным цветом), которое приводит к перераспределению потока по передней поверхности носителя.
Вообще механизм этого может быть представлен как объединение двух областей высокого давления, одной в центре керамического носителя и другой перед непроницаемым изоляционным слоем. Поступающая из впускного патрубка газовая струя ударяется в переднюю поверхность керамического носителя, создавая область высокого давления в центре носителя, которая отклоняет часть поступающего потока наружу от носителя. В опытном образце имеется дополнительная область высокого давления перед непроницаемым изоляционным слоем, которая может объединяться с центральной областью высокого давления. Образовавшаяся таким образом область высокого давления имеет намного более широкое основание, чем у базовой модели, обеспечивая лучшее отклонение поступающего газа и тем самым создавая более интенсивный осевой поток и перераспределяя газовый поток более равномерно по передней поверхности носителя.
Перераспределению потока содействует более низкая кинематическая вязкость газа в каналах периферийной зоны опытного образца. Как видно из уравнения (2), даже когда перепад давления по каналу остается таким же, как и в стандартном каталитическом конвертере, более низкая вязкость приводит к на 10-30% более высокой скорости газового потока в периферийной зоне опытного образца.
Более равномерное распределение потока в опытном образце также видно из фиг. 12, которая представляет распределение скоростей потока в температурно зависимой модели CFD (горячий поток). Однородность давления и температуры в центральной зоне опытного образца создает в высшей степени равномерный поток на таком участке носителя опытного образца. Что еще более важно, пиковая скорость газового потока в опытном образце оказывается на 10% ниже, а самая низкая скорость газового потока на 10% выше, обеспечивая связанные с этим благоприятные эффекты в отношении следующих далее компонентов системы выпуска. Фиг. 12 подтверждает, что скорость потока через носитель прямо пропорциональна давлению на переднюю поверхность носителя, это является репрезентативным для распределения давления по передней поверхности носителя. Скорость потока через центральный участок носителя опытного образца является достаточно постоянной вследствие широкой, равномерно распределенной области высокого давления, однако скорость потока поперек центрального участка базовой модели демонстрирует более узкую область высокого давления, развивая более высокое пиковое давление и, вследствие этого, более высокое противодавление.
Оптимизация конструкции
Одним из преимуществ конструкции опытного образца является то, что физические силы, вовлеченные в перераспределении потока выхлопных газов, будут иметь тенденцию автоматически возрастать, корректируя вызываемые при увеличении потока неравномерности распределения. Например, в каталитическом конвертере с изогнутым впускным патрубком поток выхлопных газов будет входить в каталитический конвертер под углом, и область высокого давления будет смещена в сторону носителя. В этом случае температурный перепад между областью высокого давления и ближним краем носителя будет меньше, чем перепад между областью высокого давления и дальним краем. Вязкость выхлопного газа будет ниже на дальнем крае носителя и будет приводить к переносу большего количества выхлопного газа через ту сторону носителя, корректируя неравномерности распределения потока.
Оптимизированный поток через опытный образец позволяет уменьшить диаметры выхлопной трубы и каталитического конвертера. Приблизительная оценка снижения может быть получена с помощью уравнения (2):
где R - диаметр канала, ΔP - перепад давления между двумя концами канала, η - динамическая вязкость газа, L - длина канала и ν - кинематическая вязкость газа. В рассмотрении всей системы выпуска автомобиля перепад давления ΔP представляет противодавление коллектора двигателя, a R является диаметром каталитического конвертера и выхлопной трубы. Так как температура выхлопных газов для большинства систем выпуска весьма близка (исключая локальные различия в каталитическом конвертере опытного образца), вязкость у этих двух систем фактически идентична. Поэтому оказывается возможным вычисление относительного уменьшения диаметра каталитического конвертера и выхлопной трубы, который обеспечил бы те же самые характеристики потребления топлива при меньших габаритах. Соотношение этих двух диаметров (базовой модели и опытного образца) соответствует отношению противодавлений ¼ (уравнение 3).
Таблица 6 показывает приблизительные уменьшения диаметра каталитического конвертера и выхлопной трубы, которые могут быть получены в качестве функции снижения противодавления.
В данной таблице снижение противодавления в 0% представляет исходный размер, при этом снижения рассматриваются вплоть до 40%. Исходя из экспериментальных данных, с опытным образцом оказывается возможным снижение противодавления на 30% и, соответственно, массовой скорости потока при одном и том же потреблении топлива.
Уменьшение размеров каталитического конвертера и системы выпуска иногда бывает более желательным, чем снижение противодавления, и предлагает дополнительные выгоды автопроизводителям.
В целом, изобретение предлагает решение, которое является очень эффективным и адаптивным. Выгоды могут быть получены посредством оптимизации рабочих характеристик автомобиля в целях применения преимуществ, предлагаемых уникальными свойствами данного опытного образца. Помимо прочего, они могут быть любым из:
- сокращения применения PGM;
- уменьшенной, сниженной массы системы выпуска;
- лучшей эффективности использования топлива.
При том, что иллюстрируемые примеры воплощений показаны как в целом имеющие цилиндрическую форму и являющиеся концентрическими, изолирующее кольцо может быть смещенным от центра в случае, если струя горячего выхлопного газа в конкретной системе выпуска является смещенной, как это имеет место в некоторых спаренных системах.
Также изоляция может быть овальной для присоединения к системам овального сечения или иметь квадратный либо прямоугольный канал для соответствия некоторым системам, которые имеют такую конфигурацию.
Помимо этого, при том, что в иллюстрируемых воплощениях носитель является носителем с 400 рядами на дюйм и изоляция имеет ширину 2 ячейки, применяться могут и другие носители. Например, как известно, в применении к носителю с 900 рядами на дюйм полезной может быть изоляция шириной в 3 ячейки.
Кроме того, при том, что в некоторых из иллюстрируемых воплощений отношение объема внешней зоны к центральной зоне составляет 50:50, известно, что пригодными являются величины этих соотношений в диапазоне от 40:60 до 60:40. Принимая во внимание расширение струи потока выхлопных газов, для достижения оптимальных рабочих характеристик необходимо, чтобы диаметр изоляции был больше, чем входной диаметр. Не претендуя на теоретическую глубину, предполагается, что, если диаметр изоляции по меньшей мере на 0,5ʺ превышает входной диаметр, он будет вмещать струю потока выхлопных газов, поступающих от впуска в центральной зоне в большинстве типичных автомобильных приложений. Для обеспечения максимального температурного градиента поперек изоляционного слоя относительная масса внутренней зоны должна составлять между 40% и 60%, быть при этом настолько близкой к 40%, насколько это возможно при вмещении струи выхлопного газа в пределах внутренней зоны. Наличие большой внешней зоны обеспечивает более значительную тепловую инерцию такой зоны и создает больший температурный градиент.
При том, что в целом предпочтительной является более тонкая изоляция, что демонстрируется на фиг. 14 резким увеличением противодавления при увеличении толщины изоляции с 0,12ʺ до 0,20ʺ, слишком сильное снижение толщины приводит к менее оптимальным результатам. Диаметр изоляции и толщина непосредственно воздействуют на величину температурного градиента, который в первую очередь является ответственным за снижение противодавления МССС. Диаметр изоляции будет определять соотношение тепловой массы между двумя зонами и расположение против струи горячего выхлопного газа, поступающего от впуска каталитического конвертера. Толщина изоляции определяет тепловой поток между двумя зонами и должна быть достаточно толстой для того, чтобы ограничивать поток и максимизировать перепад температур. Когда изоляция оказывается достаточно толстой для достижения этой цели, дальнейшее увеличение становится вредным для рабочих характеристик, поскольку это приводит к ненужной потере проходного сечения.
При том, что данное раскрытие предусматривает единственные слои изоляции, следует понимать, что в некоторые каталитические конвертеры впускается множество несливающихся струй газа. В таких случаях многочисленные трубки изолирующего материала разворачиваются по одной на каждую поступающую газовую струю.
Принимая во внимание, что экспериментальные данные предлагают оптимальную толщину изоляции между 0,10ʺ и 0,15ʺ, это показывает зависимость от теплопроводности изоляции. Не претендуя на теоретическую глубину, это остается справедливым до тех пор, пока теплопроводность изоляции является по меньшей мере в 6 раз меньшей, чем теплопроводность керамики носителя.
Тем не менее, возможны и дальнейшие изменения.
Соответственно, изобретение должно пониматься как ограничиваемое только прилагаемой целенаправленно интерпретируемой формулой изобретения.