RU2266412C2 - Носитель каталитического нейтрализатора и каталитический нейтрализатор с таким носителем - Google Patents

Abstract

Изобретение может быть использовано в системе отработавших газов ДВС транспортных средств. Носитель каталитического нейтрализатора имеет сотовый элемент из металлических листов, при этом указанный сотовый элемент имеет осевую протяженность, а металлические листы по меньшей мере частично структурированы или профилированы таким образом, что они образуют в сотовом элементе проточные для отработавших газов (ОГ) каналы, а также имеет трубчатый кожух с краем и осевой протяженностью, при этом осевая протяженность трубчатого кожуха меньше осевой протяженности сотового элемента, а трубчатый кожух по меньшей мере на одном отдельном осевом участке неразъемно соединен с сотовым элементом, носитель имеет втулку, осевая длина которой меньше осевой протяженности сотового элемента, при этом указанная втулка расположена на внешней части сотового элемента вблизи его торца и имеет внутреннюю боковую поверхность, которая неразъемно соединена со стороны указанного торца с радиально внешними концевыми участками металлических листов сотового элемента, причем сотовый элемент выступает в осевом направлении за край трубчатого кожуха, и эта выступающая часть сотового элемента заключена во втулку. Приведена конструкция нейтрализатора с таким носителем. Подобная конструкция носителя каталитического нейтрализатора позволяет предотвратить возникновение напряжений между сотовым элементом и трубчатым кожухом даже при высокой термической нагрузке на этот носитель. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 7 ил.

Description

Настоящее изобретение относится к носителю каталитического нейтрализатора, имеющему сотовый элемент из металлических листов, при этом указанный сотовый элемент имеет осевую протяженность, а металлические листы по меньшей мере частично структурированы или профилированы таким образом, что они образуют в сотовом элементе проточные для отработавших газов (ОГ) каналы, а также имеющему трубчатый кожух с краем и осевой протяженностью, при этом осевая протяженность трубчатого кожуха меньше осевой протяженности сотового элемента, а трубчатый кожух по меньшей мере на одном отдельном осевом участке неразъемно соединен с сотовым элементом, и имеющему далее втулку, осевая длина которой меньше осевой протяженности сотового элемента, при этом указанная втулка расположена на внешней части сотового элемента вблизи его торца и имеет внутреннюю боковую поверхность, которая неразъемно соединена со стороны указанного торца сотового элемента с радиально внешними концевыми участками металлических листов сотового элемента. Подобные носители каталитических нейтрализаторов используются преимущественно в системах выпуска ОГ, образующихся при работе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), прежде всего двигателей транспортных средств.

В заявке WO 99/37896 описан способ изготовления заключенного в кожух сотового элемента. Этот сотовый элемент состоит из слоев металлических листов, которые при этом по меньшей мере частично структурированы или профилированы с образованием в сотовом элементе проточных для текучей среды каналов. Такой сотовый элемент заключен в трубчатый кожух. Сотовый элемент и трубчатый кожух из-за различий в свойствах материалов, из которых они изготовлены, а также из-за различий в их рабочих температурах обладают различающимися между собой характеристиками их термического расширения. Во избежание возникновения обусловленных нагревом механических напряжений между сотовым элементом и трубчатым кожухом целесообразно обеспечить такое их соединение друг с другом, которое при необходимости допускало бы возможность относительного перемещения сотового элемента и трубчатого кожуха.

С этой целью сотовый элемент снабжают надеваемой на него втулкой, которая, несмотря на обусловленные технологическими допусками отклонения размеров и формы трубчатого кожуха и сотового элемента от номинальных, должна исключать образование паяных соединений непосредственно между сотовым элементом и трубчатым кожухом по меньшей мере на концевом участке сотового элемента. Подобные втулки, как известно, соединяют либо только с сотовым элементом, либо только с трубчатым кожухом. За счет этого обеспечивается возможность перемещения несоединенной части сотового элемента относительно трубчатого кожуха, соответственно втулки. Такие сотовые элементы со втулкой предпочтительно устанавливать в системе выпуска ОГ в таком положении, в котором втулка обращена навстречу потоку горячих ОГ, что позволяет скомпенсировать различия в величинах термического расширения сотового элемента и трубчатого кожуха под воздействием преобладающих в этом месте особо высоких термических нагрузок. В процессе изготовления подобного носителя каталитического нейтрализатора требуется соблюдать особую точность при закреплении втулки на сотовом элементе, соответственно на трубчатом кожухе, необходимую для получения неразъемного соединения только в предусмотренных для этого местах. При невозможности соблюдения такого условия обусловленные нагревом механические напряжения, возникающие в процессе эксплуатации каталитического нейтрализатора, могут привести к уменьшению срока службы его носителя.

Из заявки DE 3603882 А1 известен далее металлический носитель каталитического нейтрализатора ОГ, у которого его трубчатый кожух и сотовый элемент смещены относительно друг друга в осевом направлении. При этом сотовый элемент с его обращенной навстречу потоку ОГ стороны выступает за пределы трубчатого кожуха. Сотовый элемент состоит из попеременно чередующихся набранных в пакет и соединенных между собой пайкой слоев гладких и гофрированных термостойких металлических листов, толщина которых составляет прежде всего от 0,015 до 0,06 мм. Наряду с высокой термической нагрузкой каталитические нейтрализаторы подвергаются также высокой динамической нагрузке. Подобные динамические нагрузки могут привести к разрушению паяных соединений, удерживающих в зафиксированном состоянии не заключенные в корпус радиально внешние концевые участки металлических листов, которые в результате могут начать вибрировать или дрожать. В результате такой вибрации непрерывно увеличивается количество разрушающихся паяных соединений, каталитически активный слой отслаивается от поверхности металлических листов, и, как следствие, эффективность подобного каталитического нейтрализатора снижается.

В основу настоящего изобретения была положена задача разработать обладающий высокой долговечностью носитель каталитического нейтрализатора, который имел бы простую конструкцию и вместе с тем позволял бы избежать возникновения обусловленных нагревом механических напряжений между трубчатым кожухом и сотовым элементом даже при воздействии высоких термических и динамических нагрузок.

Указанная задача решается согласно изобретению с помощью носителя каталитического нейтрализатора, имеющего сотовый элемент из металлических листов, которые при этом по меньшей мере частично структурированы или профилированы таким образом, что они образуют в сотовом элементе проточные для ОГ каналы. Носитель каталитического нейтрализатора имеет также трубчатый кожух, осевая протяженность которого меньше осевой протяженности сотового элемента. Трубчатый кожух по меньшей мере на одном отдельном осевом участке неразъемно соединен с сотовым элементом. На внешней части сотового элемента вблизи его торца расположена втулка, осевая длина которой меньше осевой протяженности сотового элемента. Втулка имеет внутреннюю боковую поверхность, которая неразъемно соединена со стороны указанного торца сотового элемента с радиально внешними концевыми участками его металлических листов. Предлагаемый в изобретении носитель каталитического нейтрализатора отличается тем, что сотовый элемент выступает в осевом направлении за край металлического трубчатого кожуха, и эта выступающая часть сотового элемента заключена во втулку.

Толщина трубчатого кожуха предпочтительно составляет от 0,5 до 2 мм, а толщина втулки составляет от 0,02 до 0,1 мм.

Втулка при этом предпочтительно выполнена таким образом, что по меньшей мере с точки зрения свойств ее теплового расширения она под воздействием термической нагрузки расширяется аналогично металлическим листам сотового элемента. В соответствии с этим предлагаемый в изобретении носитель каталитического нейтрализатора допускает возможность беспрепятственного теплового расширения выступающей части сотового элемента под воздействием термической нагрузки, не допуская возникновения обусловленных нагревом механических напряжений между трубчатым кожухом и втулкой. Помимо этого выступающая часть сотового элемента, поскольку она не заключена в более массивный по сравнению с металлическими листами трубчатый кожух, быстро прогревается за сравнительно короткий промежуток времени до рабочей температуры.

Наиболее предпочтительно, чтобы втулка доходила до торца сотового элемента и по меньшей мере частично охватывала сотовый элемент по всему его периметру. В этом случае во втулку оказываются заключены концевые участки металлических листов, что позволяет предотвратить их вибрацию или дрожание.

Согласно еще одному варианту предпочтительно, чтобы за край трубчатого кожуха выступало по меньшей мере 10 мм, прежде всего по меньшей мере 20 мм, от всей осевой длины втулки, соответственно осевой протяженности сотового элемента. При размещении подобного носителя каталитического нейтрализатора в системе выпуска ОГ именно эта передняя зона сотового элемента воспринимает преобладающую часть тепловой энергии, поскольку непосредственно в этом месте на сотовый элемент набегает поток горячих ОГ. При этом выступающая часть сотового элемента со втулкой может сравнительно беспрепятственно расширяться, не создавая значительных сжимающих напряжений.

Согласно следующему варианту выполнения носителя каталитического нейтрализатора со втулкой предпочтительно, чтобы в трубчатый кожух было заключено максимум 20 мм, прежде всего максимум 10 мм, от всей осевой длины втулки. Тепловые и динамические характеристики каталитического нейтрализатора с учетом конечной цели применения подобного его носителя, соответственно с учетом его размещения в системе выпуска ОГ необходимо согласовывать между собой. Так, например, при наличии лишь сравнительно невысоких динамических нагрузок можно увеличить длину выступающей из трубчатого кожуха части сотового элемента и надетой на него втулки, что позволяет сократить время прогрева каталитического нейтрализатора до рабочей температуры.

Согласно еще одному варианту предлагается неразъемно соединять втулку с трубчатым кожухом. Наиболее предпочтительно при этом соединять втулку с трубчатым кожухом вакуумной пайкой твердым припоем. Подобное соединение повышает устойчивость носителя каталитического нейтрализатора.

В соответствии со следующим вариантом выполнения предлагаемого в изобретении носителя каталитического нейтрализатора втулка имеет по меньшей мере одну микроструктуру или микропрофильный элемент, высота которой, соответственно которого, составляет прежде всего от 0,04 до 0,2 мм. Такую по меньшей мере одну микроструктуру или такой микропрофильный элемент наиболее предпочтительно при этом выполнять круговой, соответственно круговым. Микроструктура повышает главным образом жесткость втулки и тем самым делает ее более устойчивой к деформирующим усилиям и помимо этого способствует созданию определенных соединений между сотовым элементом и втулкой, соответственно между трубчатым кожухом и втулкой. Таким путем обеспечивается возможность выполнения паяного соединения между втулкой и сотовым элементом в строго заданных местах, положение которых согласовано с конкретной областью применения носителя каталитического нейтрализатора и условиями его работы. То же самое относится и к выполнению неразъемного соединения между втулкой и трубчатым кожухом. Отсутствие же подобного соединения между втулкой и трубчатым кожухом позволяет влиять на возникающие между ними при тепловом расширении носителя каталитического нейтрализатора силы трения.

Согласно еще одному варианту втулку предлагается снабжать несколькими микроструктурами или микропрофильными элементами, которые перекрещиваются между собой. За счет этого обеспечивается по существу лишь точечный контакт между соседними компонентами носителя каталитического нейтрализатора.

В соответствии со следующим вариантом по меньшей мере одна микроструктура или по меньшей мере один микропрофильный элемент обращена, соответственно обращен, только в сторону наружной боковой поверхности втулки. В этом случае обеспечивается, с одной стороны, исключительно стабильное соединение втулки с металлическими листами сотового элемента, а с другой стороны, исключительно малое трение при перемещении втулки относительно трубчатого кожуха.

Согласно еще одному варианту сотовый элемент предлагается соединять с трубчатым кожухом пайкой, предпочтительно вакуумной пайкой твердым припоем. При таком соединении подобный носитель каталитического нейтрализатора способен выдерживать также высокие динамические нагрузки, которые могут возникать, например, под воздействием пульсирующего потока ОГ.

В соответствии со следующим вариантом выполнения носителя каталитического нейтрализатора расположенные со стороны торца сотового элемента радиально внешние концевые участки металлических листов предлагается соединять со втулкой вблизи ее кромки и по меньшей мере на замкнутом по периметру кольцевом участке ее внутренней боковой поверхности пайкой, предпочтительно вакуумной пайкой твердым припоем. Соединение пайкой концевых участков металлических листов со втулкой на полностью замкнутом кольцевом полосовидном участке ее внутренней боковой поверхности позволяет зафиксировать каждый отдельный металлический лист и тем самым повысить срок службы носителя каталитического нейтрализатора. Металлические листы дополнительно можно также известным методом соединить пайкой между собой с торцевой стороны.

Согласно еще одному варианту предпочтительно, чтобы осевая протяженность трубчатого кожуха и осевая длина втулки в сумме равнялись осевой протяженности сотового элемента. В этом случае у носителя каталитического нейтрализатора исключается наличие обнаженных концов металлических листов при максимально возможной свободе теплового расширения.

Еще одним объектом настоящего изобретения является каталитический нейтрализатор, прежде всего для нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, с предлагаемым в изобретении носителем. Такой каталитический нейтрализатор помимо его носителя по меньшей мере имеет также корпус с газовпускным отверстием, при этом носитель каталитического нейтрализатора обращен выступающей частью сотового элемента, соответственно втулкой, в сторону газовпускного отверстия. Иными словами, эта зона носителя каталитического нейтрализатора контактирует с наиболее горячими ОГ и тем самым подвержена воздействию наибольшей термической нагрузки. Беспрепятственное расширение выступающей из трубчатого кожуха части сотового элемента позволяет исключительно эффективно скомпенсировать воздействие такой термической нагрузки.

Согласно одному из предпочтительных вариантов выполнения каталитического нейтрализатора его носитель предлагается располагать вблизи газовпускного отверстия. В этом случае носитель каталитического нейтрализатора преимущественно выполняет функцию дополнительного каталитического нейтрализатора ОГ в режиме пуска и прогрева двигателя (форкатализатора), характеризующегося прежде всего исключительно коротким временем его прогрева до рабочей температуры, под которым (временем) имеется в виду промежуток времени, проходящий с момента нового пуска ДВС до момента начала эффективного каталитического превращения ОГ при их контакте с имеющей соответствующее исполнение поверхностью катализатора. Последовательно с таким форкатализатором обычно установлены другие элементы системы нейтрализации ОГ, например трехкомпонентый каталитический нейтрализатор и/или адсорбер углеводородов.

Трубчатый кожух носителя каталитического нейтрализатора наиболее предпочтительно неразъемно соединять с его корпусом. В этом случае трубчатый кожух носителя каталитического нейтрализатора предпочтительно соединять с его корпусом сварным соединением, поскольку такое соединение допускает возможность теплового расширения сотового элемента, а также воздействие на него возникающей при определенных условиях вибрационной нагрузки.

Ниже предлагаемый в изобретении носитель каталитического нейтрализатора более подробно рассмотрен на примере наиболее предпочтительных вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - вид в аксонометрической проекции сотового элемента, втулки и трубчатого кожуха,

на фиг.2 - вид с торцевой стороны предлагаемого в изобретении носителя каталитического нейтрализатора в сборе,

на фиг.3 - металлический лист с микроструктурами или микропрофильными элементами для изготовления втулки,

на фиг.4 - вариант выполнения изображенного в разрезе металлического листа с микроструктурой или микропрофильными элементами для изготовления втулки,

на фиг.5 - другой вариант выполнения изображенного в разрезе металлического листа с микроструктурой или микропрофильными элементами для изготовления втулки,

на фиг.6 - вид в аксонометрической проекции металлического листа для изготовления втулки с перекрещивающимися микроструктурами или микропрофильными элементами,

на фиг.7 - схематичное изображение предлагаемого в изобретении носителя каталитического нейтрализатора во встроенном в него состоянии.

На фиг.1 показан сотовый элемент 1, имеющий торец 5 и осевую протяженность 4. На внешней части 8 сотового элемента 1 на чертеже обозначена часть 7, которая согласно изобретению в собранном состоянии носителя каталитического нейтрализатора выступает за край 10 трубчатого кожуха 9. На внешней части 8 сотового элемента 1 видны также обозначенные прямыми линиями края металлических листов 2.

Трубчатый кожух 9 имеет осевую протяженность 11 и по меньшей мере на одном отдельном осевом участке 12 неразъемно соединен с сотовым элементом 1.

Втулка 13 имеет осевую длину 14, кромку 18, внутреннюю боковую поверхность 15, а также наружную боковую поверхность 16. Втулку 13 на замкнутом по периметру кольцевом участке 19 ее внутренней боковой поверхности 15 соединяют с сотовым элементом 1. При этом у надетой на сотовый элемент 1 втулки ее кромка 18 располагается в одной плоскости с торцом 5 сотового элемента 1.

На наружной боковой поверхности 16 втулки 13 имеется несколько проходящих по ее окружности микроструктур или микропрофильных элементов 17. После помещения сотового элемента вместе с надетой на него втулкой 13 в трубчатый кожух 9 микроструктурами или микропрофильными элементами 17 в значительной мере определяется величина силы трения, возникающей между втулкой 13 и трубчатым кожухом 9 при тепловом расширении сотового элемента 1. Помимо этого микроструктуры придают втулке 13 дополнительную жесткость, препятствуя ее деформации.

На фиг.2 показан изображенный со стороны его торца предлагаемый в изобретении носитель каталитического нейтрализатора, содержащий трубчатый кожух 9, втулку 13 и изготовленный из металлических листов 2 сотовый элемент 1. Металлические листы по меньшей мере частично структурированы или профилированы, соответственно набраны, в пакет и/или свернуты в рулон, образуя в изготовленном из них сотовом элементе 1 проточные для ОГ каналы 3. Радиально внешние концевые участки 6 металлических листов 2 прилегают к внутренней поверхности втулки 13. Все концевые участки 6 металлических листов 22 соединяют со втулкой 13 наиболее предпочтительно вакуумной пайкой твердым припоем.

В имеющем подобную конструкцию носителе каталитического нейтрализатора возможность скомпенсировать возникающие под действием термической нагрузки различия в величине теплового расширения сотового элемента 1 и трубчатого кожуха 9 обеспечивается благодаря тому, что выступающая часть 7 сотового элемента может свободно расширяться. Неразъемное соединение концевых участков 6 металлических листов 2 со втулкой 13 предотвращает их дрожание или вибрацию и за счет этого позволяет придать носителю каталитического нейтрализатора особо высокую стабильность.

На фиг.3 показан металлический лист 23 с имеющими различное исполнение микроструктурами или микропрофильными элементами 17, из которого изготавливается втулка 13. После изготовления втулки 13 из металлического листа 23 путем его пластического деформирования проходящие параллельно друг другу микроструктуры или микропрофильные элементы 17 могут растягиваться в произвольно ориентированных направлениях.

На фиг.4 и 5 показаны два варианта выполнения изображенных в разрезе и используемых для изготовления втулки металлических листов 23 с имеющими различное исполнение микроструктурами или микропрофильными элементами 17. На фиг.6 показан еще один вариант выполнения изображенного в аксонометрической проекции используемого для изготовления втулки металлического листа 23 со взаимно перекрещивающимися микроструктурами или микропрофильными элементами 17.

На фиг.7 схематично показан предлагаемый в изобретении носитель используемого прежде всего для нейтрализации отработавших газов двигателя внутреннего сгорания каталитического нейтрализатора во встроенном в него состоянии. Каталитический нейтрализатор содержит носитель со втулкой 13, сотовым элементом 1 и трубчатым кожухом 9, а также корпус 20 с газовпускным отверстием 21. Через газовпускное отверстие в каталитический нейтрализатор поступает поток горячих ОГ. Каталитический нейтрализатор расположен вблизи газовпускного отверстия 21 и обращен в его сторону втулкой 13. При такой компоновке каталитического нейтрализатора обеспечивается максимально возможная свобода теплового расширения подвергающейся наибольшей термической нагрузке части 7 носителя каталитического нейтрализатора. Трубчатый кожух 9 при этом неразъемно соединен с корпусом 20 каталитического нейтрализатора.

Подобный носитель каталитического нейтрализатора наиболее пригоден для его установки вблизи двигателя в системе выпуска ОГ транспортного средства, поскольку способен длительно выдерживать преобладающие в этом месте его установки исключительно высокие термические и динамические нагрузки.

Claims (15)

1. Носитель каталитического нейтрализатора, имеющий сотовый элемент (1) из металлических листов (2), при этом указанный сотовый элемент имеет осевую протяженность (4), а металлические листы (2) по меньшей мере частично структурированы или профилированы таким образом, что они образуют в сотовом элементе (1) проточные для отработавших газов (ОГ) каналы (3), а также имеющий трубчатый кожух (9) с краем (10) и осевой протяженностью (11), при этом осевая протяженность (11) трубчатого кожуха меньше осевой протяженности (4) сотового элемента (1), а трубчатый кожух (9) по меньшей мере на одном отдельном осевом участке (12) неразъемно соединен с сотовым элементом (1), и имеющий далее втулку (13), осевая длина (14) которой меньше осевой протяженности (4) сотового элемента (1), при этом указанная втулка (13) расположена на внешней части (8) сотового элемента (1) вблизи его торца (5) и имеет внутреннюю боковую поверхность (15), которая неразъемно соединена со стороны указанного торца с радиально внешними концевыми участками (6) металлических листов (2) сотового элемента (1), отличающийся тем, что сотовый элемент (1) выступает в осевом направлении за край (10) трубчатого кожуха (9) и эта выступающая часть (7) сотового элемента заключена во втулку (13).

2. Носитель каталитического нейтрализатора по п.1, отличающийся тем, что втулка (13) доходит до торца (5) сотового элемента (1).

3. Носитель каталитического нейтрализатора по п.1 или 2, отличающийся тем, что за край (10) трубчатого кожуха (9) выступает по меньшей мере 10 мм, прежде всего по меньшей мере 20 мм, от всей осевой длины (14) втулки (13).

4. Носитель каталитического нейтрализатора по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в трубчатый кожух (9) заключено максимум 20 мм, прежде всего максимум 10 мм, от всей осевой длины (14) втулки (13).

5. Носитель каталитического нейтрализатора по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что втулка (13) неразъемно соединена с трубчатым кожухом (9), предпочтительно вакуумной пайкой твердым припоем.

6. Носитель каталитического нейтрализатора по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что втулка (13) имеет по меньшей мере одну микроструктуру или микропрофильный элемент (17).

7. Носитель каталитического нейтрализатора по п.6, отличающийся тем, что по меньшей мере одна микроструктура или микропрофильный элемент (17) выполнена круговой, соответственно выполнен, круговым.

8. Носитель каталитического нейтрализатора по п.6 или 7, отличающийся тем, что несколько микроструктур или микропрофильных элементов (17) перекрещиваются.

9. Носитель каталитического нейтрализатора по любому из пп.6-8, отличающийся тем, что втулка (13) имеет наружную боковую поверхность (16), при этом по меньшей мере одна микроструктура или по меньшей мере один микропрофильный элемент (17) обращена, соответственно обращен, только в сторону этой наружной боковой поверхности (16) втулки (13).

10. Носитель каталитического нейтрализатора по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что сотовый элемент (1) соединен с трубчатым кожухом (9) пайкой, предпочтительно вакуумной пайкой твердым припоем.

11. Носитель каталитического нейтрализатора по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что расположенные со стороны торца сотового элемента радиально внешние концевые участки (6) металлических листов (2) соединены со втулкой (13) вблизи ее кромки (18) и по меньшей мере на замкнутом по периметру кольцевом участке (19) ее внутренней боковой поверхности (15) пайкой, предпочтительно вакуумной пайкой твердым припоем.

12. Носитель каталитического нейтрализатора по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что осевая протяженность (11) трубчатого кожуха (9) и осевая длина (14) втулки (13) в сумме равны осевой протяженности (4) сотового элемента (1).

13. Каталитический нейтрализатор, прежде всего для нейтрализации отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), имеющий по меньшей мере носитель по любому из пп.1-12 и корпус (20) с газовпускным отверстием (21), отличающийся тем, что носитель каталитического нейтрализатора обращен втулкой (13) в сторону газовпускного отверстия (21).

14. Каталитический нейтрализатор по п.13, отличающийся тем, что его носитель расположен вблизи газовпускного отверстия (21).

15. Каталитический нейтрализатор по п.13 или 14, отличающийся тем, что трубчатый кожух (9) его носителя неразъемно соединен с корпусом (20).

Images