[发明专利]基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器

说明书

本发明涉及一种基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器，由法兰、扩张管、外壳、垫层、负泊松比超材料隔音层、负泊松比超材料前载体、负泊松比超材料后载体和收缩管组成；扩张管和收缩管为光滑流线型曲面结构，垫层内至少分布着两段不同结构的载体，载体与载体之间留有空隙，以改善气流的流动特性；各段负泊松比超材料载体的微通道截面面积渐变，且采用扇环形微通道截面与负泊松比超材料微通道截面复合的形态，以减小径向热应力和载体振动；在外壳与垫层之间有负泊松比超材料隔音层，以提高催化转化器消声能力。本发明结构简单，采用负泊松比超材料实现了催化转化器净化和消声功能一体化，提高了催化转化器转换效率和使用寿命。

技术领域

本发明属于汽车发动机尾气净化、消声设备技术领域，具体涉及一种基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器。

背景技术

现有的多级催化转化器载体多采用等通流面积的规则多边形蜂窝型结构，这种结构具有一定的通隙比，能保证气流与载体有较好的接触，但同时也会使废气的流速在载体横截面具有一定的速度梯度，即越靠近载体中心区域废气流速越快。这种流速不均匀现象导致载体中心区域催化剂老化快，而边缘区域催化剂却得不到合理利用。与此同时，速度梯度引起的温度梯度使载体径向产生了较大的径向热应力，缩短了载体的使用寿命。针对气流流速分布不均的问题，现有研究人员提出了几种解决方案：一是采用变通流面积的规则多边形蜂窝型结构；二是将载体的头部和尾部做成凸弧形或锥形面。尽管两种方案都能够在一定程度上降低径向速度梯度，但却都没有提高载体对热应力的承受能力，且后者还增加了排气阻力和排气背压，也就是说上述两种方案在催化转化器结构的改进和使用寿命的延长等方面所发挥的作用仍然是有限的。

在现有的汽车发动机排气系统中，一般都安装催化转化器和消音器来分别降低有害物的排放和排气噪声，两者分工明确。实际上，汽车消音器经过多年的发展，其结构已很难再有大的改进，要想进一步降低排气噪声必须从其他方面入手。早已被证实催化转化器载体同时具有阻性和抗性消声作用，但其消声效果受到载体横截面开孔率、微通道通流面积和载体长度的限制。具体来说，当载体横截面开孔率一定时，微通道通流面积越小消声量越大；当载体横截面微通道通流面积一定时，开孔率越小消声量越大；载体轴向长度越长消声量越大。虽然上述方案可以增大载体的消声量，但却没有实用价值，主要原因在于减小截面的开孔率和微通道通流面积会增大排气背压、减小废气与催化剂的接触面积，进而降低排气效率和削弱净化效果，而延长载体轴向长度会增大轴向热应力，进而降低载体的使用寿命。因此，要想增强催化转化器的消声性能必须从其他方面入手，如改变微通道截面形状、在载体外侧增加隔音层等。为增强催化转化器的消声功能，有人提出一种具有缓冲隔音功能的催化转化器衬垫。虽然上述方案对减小排气噪声具有一定的作用，但却提高了生产成本，且不能改善废气在载体径向的流动特性以及提高载体对径向热应力的承受能力。

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器。负泊松比材料是一种具有拉胀效应的超材料，因其特殊的力学性质使其具有良好的能量耗散、吸收以及轻量化的优点，在航空航天、汽车工业等领域被应用于结构的隔振、防爆、消声和抗冲击的设计与优化。综上所述，引入负泊松比超材料将是实现汽车发动机催化转化器结构改进和功能完善的有效途径之一。

发明内容

鉴于现有催化转化器存在催化剂的利用效率较低，载体使用寿命短，消声性能差等缺陷，本发明所要解决的技术问题在于提供一种既具有良好的消声功能，又能在确保具有良好的废气净化作用的前提下有效降低载体的径向热应力和提高载体对径向热应力的承受能力的发动机催化转化器结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

基于负泊松比超材料的净化消声一体化发动机催化转化器，其特征在于由法兰、扩张管、外壳、垫层、负泊松比超材料隔音层、负泊松比超材料前载体、负泊松比超材料后载体和收缩管组成；所述扩张管进口端通过法兰与排气管出口端连接，扩张管出口端与外壳的一端连接，外壳另一端连接收缩管入口端。负泊松比超材料隔音层安装于外壳与垫层之间，负泊松比超材料前载体和负泊松比超材料后载体安装于垫层内侧。