Корпус для сотового элемента, носитель каталитического нейтрализатора с таким корпусом и способ изготовления носителя каталитического нейтрализатора - RU2264543C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к корпусу, прежде всего трубчатому кожуху, для сотового элемента, к носителю каталитического нейтрализатора с таким корпусом, а также к способу изготовления носителя каталитического нейтрализатора с таким корпусом. Подобные сотовые элементы преимущественно используются в качестве носителей каталитического нейтрализатора в системах выпуска отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателей внутреннего сгорания (ДВС), прежде всего двигателей автомобилей.

В заявке WO 99/37896 описан способ изготовления сотового элемента, заключенного 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. Поэтому стремятся избегать жесткого соединения сотового элемента с трубчатым кожухом по меньшей мере на концевом участке сотового элемента или в любом случае на определенных отдельных участках. По этой причине описанный в заявке WO 99/37896, заключенный в кожух, 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. Применение подобной втулки позволяет значительно снизить обусловленные нагревом механические напряжения между трубчатым кожухом и сотовым элементом, однако приводит к увеличению производственных издержек.

Из уровня техники известны далее средства, позволяющие предотвратить соединение между собой металлических поверхностей в процессе высокотемпературной обработки (как, например, при спекании или пайке). В состав этих средств входят преимущественно мелкие керамические частицы, связующее, а также некоторое количество разбавителей и растворителей. Связующее, а также разбавитель и растворитель начинают улетучиваться уже при сравнительно низких температурах. При изготовлении носителей каталитических нейтрализаторов трубчатый кожух соединяют с корпусом предпочтительно в вакууме, при этом склонность таких средств к улетучиванию входящих в их состав компонентов, которые помимо всего прочего могут загрязнять всю систему, значительно затрудняет поддержание необходимого вакуума.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача - разработать корпус для сотового элемента, который для компенсации различий в величинах термического расширения сотового элемента и трубчатого кожуха позволял бы избирательно выполнять неразъемные соединения между ними на локально ограниченных участках и обеспечивал бы долговечную фиксацию сотового элемента, например, в системе выпуска ОГ, а также была положена задача разработать способ изготовления носителя каталитического нейтрализатора с таким корпусом.

Для решения первой из указанных задач в изобретении предлагается корпус для сотового элемента, имеющий трубчатый кожух с внутренней стенкой, который для целенаправленного предотвращения его неразъемного соединения с сотовым элементом имеет по меньшей мере на одном участке его внутренней стенки пассивирующую пленку.

Пассивирующая пленка обладает исключительно высокой теплоустойчивостью и препятствует образованию любого неразъемного соединения между собой взаимно соприкасающихся металлических поверхностей. Участок, на котором расположена пассивирующая пленка, находится в том месте трубчатого кожуха, где в процессе последующей эксплуатации носителя каталитического нейтрализатора требуется обеспечить возможность относительного перемещения сотового элемента и трубчатого кожуха во избежание возникновения обусловленных нагревом механических напряжений. Предпочтительным местом размещения этого участка является торцовая зона, в которой поток горячих ОГ набегает на носитель каталитического нейтрализатора. Вместе с тем таким же путем можно предотвращать образование неразъемных соединений и на расположенных дальше по ходу потока участках.

Пассивирующая пленка благодаря ее теплоизолирующим свойствам предотвращает далее передачу тепла от сотового элемента трубчатому кожуху. Наличие у пассивирующей пленки подобного свойства имеет особо важное значение, например, в том случае, когда после пуска двигателя автомобиля необходимо обеспечить прогрев каталитического нейтрализатора до рабочей температуры, при которой начинает происходить эффективная нейтрализация ОГ за счет каталитического превращения их компонентов, за минимально короткий интервал времени.

Согласно одному из вариантов выполнения предлагаемого в изобретении корпуса пассивирующая пленка образована поверхностным оксидным слоем. Оксиды и прежде всего оксиды металлов обладают высокой теплоустойчивостью и благодаря этому препятствуют соединению между собой соприкасающихся металлических поверхностей. Особое преимущество состоит также в возможности простого окисления компонентов материала, из которого изготовлен трубчатый кожух, что исключает необходимость применения дополнительного материала для образования пассивирующей пленки. Подобный металлооксидный слой можно также получить, например, за счет простого придания шероховатости внутренней стенке трубчатого кожуха на соответствующем ее участке.

Согласно следующему варианту выполнения предлагаемого в изобретении корпуса пассивирующая пленка образована слоем нанесенного керамического покрытия, прежде всего из оксида алюминия. Керамические частицы обладают особо высокими силами взаимного притяжения и исключительно высокой термодинамической стабильностью. Керамический слой можно также наносить из оксида титана или оксида магния.

В соответствии со следующим вариантом пассивирующая пленка имеет форму замкнутой по периметру кольцевой полосы. В этом случае на таком кольцевом участке предотвращается образование паяных соединений между трубчатым кожухом и сотовым элементом по всей окружности трубчатого кожуха, и обеспечивается возможность компенсации различий в величинах термического расширения трубчатого кожуха и сотового элемента.

В том случае, если корпус имеет в сечении овальную или эллиптическую форму, то согласно следующему варианту пассивирующую пленку предпочтительно располагать на том участке трубчатого кожуха, который имеет больший радиус кривизны. Овальную форму корпусу необходимо придавать, например, в том случае, когда при встраивании носителя каталитического нейтрализатора вместе с его корпусом необходимо учитывать определенные пространственные условия в заданном месте его размещения в системе выпуска ОГ. Как показывает опыт, неразъемные соединения предпочтительно выполнять на тех поверхностях подобного корпуса, которые имеют меньший радиус кривизны, и соответственно предотвращать с помощью пассивирующей пленки образование таких соединений на скругленных поверхностях корпуса. Пассивирующую пленку на скругленных поверхностях корпуса овальной или эллиптической формы целесообразно использовать прежде всего в дополнение к возможно предусмотренной со стороны одного или обоих торцов сотового элемента пассивирующей пленке.

Согласно еще одному варианту осевая длина пассивирующей пленки составляет от 5 до 50 мм. Варьирование осевой протяженности пассивирующей пленки в указанных пределах позволяет точно согласовывать ее осевую длину с конкретной целью применения предлагаемого в изобретении корпуса для сотового элемента. Так, например, при размещении корпуса сотового элемента сравнительно близко к ДВС или при значительных различиях в величинах термического расширения сотового элемента и трубчатого кожуха осевую протяженность пассивирующей пленки увеличивают.

В наиболее предпочтительном варианте толщина пассивирующей пленки составляет от 30 до 120 мкм. Пассивирующая пленка с варьируемой в указанных пределах толщиной обеспечивает прежде всего эффективную компенсацию обусловленных производственными допусками отклонений от номинальных размеров и формы сотового элемента и трубчатого кожуха в их собранном друг с другом состоянии.

В соответствии со следующим вариантом пассивирующая пленка образована слоем керамического покрытия, при этом между трубчатым кожухом и слоем нанесенного керамического покрытия предусмотрен связующий слой. Подобный связующий слой предпочтительно предусматривать прежде всего в том случае, когда керамический слой подвергается воздействию высоких динамических нагрузок. Связующий слой обеспечивает прочное и долговечное сцепление керамического слоя с металлической поверхностью трубчатого кожуха.

Перед сборкой трубчатого кожуха с сотовым элементом пассивирующую пленку на внутренней поверхности трубчатого кожуха наиболее предпочтительно покрывать слоем припоя. Как уже указывалось выше, пассивирующая пленка предотвращает образование паяных соединений между сотовым элементом и трубчатым кожухом. Однако при выполнении сотового элемента, например, из множества слоев, образованных свертыванием в рулон и/или набором в пакет металлических листов, нанесенный на пассивирующую пленку, припой обеспечивает возможность соединения между собой пайкой концов соседних металлических листов. Соединение между собой концов металлических листов позволяет предотвратить дрожание или вибрацию концевых участков металлических листов и увеличить срок службы подобного сотового элемента. Соединение между собой пайкой всех соседних металлических листов на их концевых участках обеспечивает выполнение слоя припоя, которым покрыта пассивирующая пленка, в виде замкнутого по периметру кольцевого слоя.

В изобретении предлагается также носитель каталитического нейтрализатора, имеющий корпус и расположенный в нем сотовый элемент. Сотовый элемент состоит из металлических листов, которые по меньшей мере на отдельных участках структурированы или профилированы таким образом, что они образуют в сотовом элементе проточные для отработавших газов каналы. Согласно изобретению такой носитель каталитического нейтрализатора отличается тем, что трубчатый кожух по меньшей мере частично охватывает сотовый элемент и по меньшей мере на одном отдельном осевом участке неразъемно соединен с сотовым элементом, а корпус носителя каталитического нейтрализатора выполнен в виде предлагаемого в изобретении корпуса, описанного выше. Неразъемное соединение сотового элемента с трубчатым кожухом только на локально ограниченных участках позволяет значительно повысить срок службы носителя каталитического нейтрализатора.

В одном из вариантов выполнения предлагаемого в изобретении носителя каталитического нейтрализатора пассивирующую пленку, которая может быть образована слоем керамического покрытия, наиболее предпочтительно располагать вблизи торца сотового элемента. Носитель каталитического нейтрализатора при его установке в системе выпуска ОГ в положении, в котором его участок с керамическим покрытием обращен навстречу потоку горячих ОГ, обеспечивает наиболее эффективную компенсацию различий в величинах термического расширения трубчатого кожуха и сотового элемента, возникающих под действием высокой тепловой нагрузки в системе выпуска ОГ.

Согласно еще одному варианту выполнения предлагаемого в изобретении носителя каталитического нейтрализатора радиально внешние концевые участки металлических листов сотового элемента прилегают к пассивирующей пленке, которая может быть образована слоем керамического покрытия. За счет этого удается уменьшить вибрацию или дрожание этих радиально внешних концевых участков металлических листов. Указанные концевые участки металлических листов, прилегающие к пассивирующей пленке, наиболее предпочтительно неразъемно соединять между собой. В этом случае обеспечивается длительный срок службы носителя каталитического нейтрализатора даже при воздействии экстремально высоких динамических нагрузок.

В соответствии еще с одним вариантом выполнения предлагаемого в изобретении носителя каталитического нейтрализатора сотовый элемент соединен с трубчатым кожухом пайкой, предпочтительно вакуумной пайкой твердым припоем.

В изобретении предлагается также способ изготовления носителя каталитического нейтрализатора, имеющего сотовый элемент и трубчатый кожух. Сотовый элемент состоит из металлических листов, которые по меньшей мере на отдельных участках структурированы или профилированы таким образом, что они образуют в сотовом элементе проточные для отработавших газов каналы. Трубчатый кожух в свою очередь имеет внутреннюю стенку и по меньшей мере частично охватывает сотовый элемент, а также по меньшей мере на одном отдельном осевом участке пайкой соединен с сотовым элементом. Трубчатый кожух по меньшей мере на одном участке его внутренней стенки имеет пассивирующую пленку для целенаправленного предотвращения образования паяного соединения с сотовым элементом. Предлагаемый в изобретении способ изготовления носителя каталитического нейтрализатора отличается наличием следующих стадий.

На первой стадии изготавливают трубчатый кожух, после чего на внутренней стенке трубчатого кожуха по меньшей мере на одном ее участке получают пассивирующую пленку. На указанном участке в ходе последующего процесса пайки необходимо предотвратить образование паяного соединения между трубчатым кожухом и сотовым элементом. Предпочтительно, чтобы этот участок находился вблизи торца сотового элемента, когда он помещен в трубчатый кожух. Затем по меньшей мере на отдельные участки внутренней стенки трубчатого кожуха наносят припой.

Одновременно или последовательно с изготовлением и подготовкой трубчатого кожуха по известной технологии формируют сотовый элемент, набирая в пакет и/или свертывая в рулон металлические листы, которые по меньшей мере на отдельных участках структурированы или профилированы таким образом, что они образуют в сотовом элементе проточные для отработавших газов каналы. Затем готовый сотовый элемент помещают в трубчатый кожух. После этого создают паяные соединения. Описанный выше способ позволяет изготовить носитель каталитического нейтрализатора, который (носитель), с одной стороны, отличается долговечным соединением сотового элемента с трубчатым кожухом, а с другой стороны, допускает компенсацию различий в величинах термического расширения сотового элемента и трубчатого кожуха. При этом в процессе пайки не образуются пары и газы, которые могут отрицательно влиять на процесс образования паяных соединений, проводимый преимущественно в вакууме.

Согласно одному из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа пассивирующую пленку получают путем избирательного, пространственно ограниченного нагрева по меньшей мере одного участка трубчатого кожуха. В соответствии с этим вариантом участок внутренней стенки трубчатого кожуха нагревают до определенной температуры и при необходимости выдерживают при ней с целью обеспечить протекание диффузионных процессов в материале, а также на внутренней стенке корпуса. В этом отношении целесообразно использовать прежде всего ферритные, содержащие алюминий и хром материалы, которые нагревают до температуры выше 1100°С. При этом атомы металлов, прежде всего алюминия, диффундируют изнутри в приповерхностные слои внутренней стенки трубчатого кожуха и, реагируя с кислородом, присутствующим в окружающей среде, образуют необходимую пассивирующую пленку. В соответствии с этим пассивирующую пленку можно получать без использования присадочного материала.

При этом указанный выше участок внутренней стенки трубчатого кожуха наиболее предпочтительно нагревать путем индукционного нагрева. При индукционном нагреве наводятся пространственно ограниченные вихревые токи, которые из-за электрического сопротивления материала нагревают обрабатываемый участок. Метод индукционного нагрева не только позволяет нагревать поверхность на точно ограниченном по площади участке, но и может использоваться в поточном производстве при изготовлении каталитических нейтрализаторов с высоким тактом.

Согласно еще одному варианту осуществления предлагаемого в изобретении способа при получении пассивирующей пленки по меньшей мере один участок внутренней стенки трубчатого кожуха обдувают потоком кислородсодержащего газа. За счет этого обеспечивается наличие достаточного количества молекул кислорода у внутренней стенки трубчатого кожуха, необходимых для образования поверхностного оксидного слоя. В этом варианте, таким образом, удается интенсифицировать образование пассивирующей пленки.

Помимо этого при получении пассивирующей пленки трубчатый кожух за пределами по меньшей мере одного участка его внутренней стенки наиболее предпочтительно обдувать потоком инертного газа, прежде всего аргона. Инертный газ, поскольку он не реагирует с атомами металлов, входящих в состав материала трубчатого кожуха, и вытесняет кислород воздуха, предотвращает при этом образование оксидного слоя.

В следующем варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа пассивирующую пленку получают путем химической обработки по меньшей мере одного участка внутренней стенки трубчатого кожуха. С этой целью указанный участок внутренней стенки трубчатого кожуха обрабатывают химическим реагентом, обеспечивающим образование поверхностного оксидного слоя. Этот вариант осуществления предлагаемого в изобретении способа целесообразно использовать прежде всего при обработке трубчатых кожухов, изготовленных с исключительно малыми производственными допусками на их внутренние размеры, которыми определяется возможность помещения в них охватываемых ими сотовых элементов. В этом варианте отпадает далее необходимость в термообработке трубчатого кожуха, что позволяет избежать связанной с ней возможной деформации трубчатого кожуха, которая может возникнуть при термообработке трубчатого кожуха без вставленного в него сотового элемента.

В соответствии со следующим вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа пассивирующую пленку получают нанесением по меньшей мере на один участок внутренней стенки трубчатого кожуха слоя керамического покрытия, прежде всего оксида алюминия.

В следующем предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа перед нанесением слоя керамического покрытия по меньшей мере на один соответствующий участок внутренней стенки трубчатого кожуха наносят связующий слой. Подобный связующий слой обеспечивает наиболее прочное сцепление керамического слоя с трубчатым кожухом. В предпочтительном варианте для выполнения такого связующего слоя следует использовать материал, который не содержит никаких летучих компонентов, которые в противном случае могли бы ухудшить качество выполняемых в ходе последующего процесса пайки паяных соединений.

При нанесении пассивирующей пленки в виде слоя керамического покрытия его наиболее предпочтительно создавать на трубчатом кожухе газопламенным напылением. Метод газопламенного напыления обеспечивает особо равномерное распределение керамического слоя по внутренней стенке трубчатого кожуха и за счет этого позволяет избежать неравномерного прижатия к трубчатому кожуху прилегающих к нему металлических листов.

Согласно еще одному варианту осуществления предлагаемого в изобретении способа перед нанесением припоя на внутреннюю стенку трубчатого кожуха, прежде всего на пассивирующую пленку, наносят адгезионный состав для нанесения слоя припоя. Назначение такого адгезионного состава состоит в фиксации порошкового припоя в тех местах трубчатого кожуха, где в ходе последующего процесса пайки должны образоваться паяные соединения. Нанесение адгезионного состава на керамический слой при этом обеспечивает также скопление порошкового припоя на том участке сотового элемента, на котором нежелательно его соединение с трубчатым кожухом. На этом участке такой слой припоя необходим для последующего соединения между собой пайкой соседних металлических листов сотового элемента.

В следующем варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа в процессе помещения сотового элемента в трубчатый кожух или по завершении этого процесса на торец сотового элемента наносят порошковый припой. В этом случае обеспечивается соединение между собой пайкой концевых участков металлических листов вблизи торца сотового элемента и за счет этого увеличивается срок службы изготовленного подобным путем носителя каталитического нейтрализатора.

В соответствии со следующим вариантом осуществления предлагаемого в изобретении способа пассивирующую пленку получают приданием внутренней стенке трубчатого кожуха шероховатости по меньшей мере на одном ее участке. При этом шероховатость внутренней стенке трубчатого кожуха наиболее предпочтительно придавать путем ее пескоструйной обработки и/или путем крацевания. Придание внутренней стенке трубчатого кожуха шероховатости неожиданно позволяет предотвратить смачивание этого ее шероховатого участка расплавленным припоем и тем самым избежать образования неразъемного соединения между сотовым элементом и трубчатым кожухом. В этом варианте, таким образом, обеспечивается получение пассивирующей пленки наиболее экономичным путем.

Ниже предлагаемые в изобретении носитель каталитического нейтрализатора и способ его изготовления более подробно рассмотрены на примере наиболее предпочтительных вариантов осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - изображение в аксонометрической проекции трубчатого кожуха и сотового элемента, входящих в состав предлагаемого в изобретении носителя каталитического нейтрализатора,

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

на фиг.3 - схематичное изображение слоистой структуры около предлагаемого в изобретении корпуса и

на фиг.4 - изображение в разрезе овального корпуса с сотовым элементом и пассивирующей пленкой.

На фиг.1 показан сотовый элемент 4, имеющий торец 12. Этот сотовый элемент состоит из множества слоев свернутых в рулон и/или набранных в пакет металлических листов 9. При сборке сотовый элемент 4 помещают в трубчатый кожух 1. Трубчатый кожух 1 имеет внутреннюю стенку 2 с пассивирующей пленкой 3 на участке 14. Этот участок 14 имеет осевую длину 5 и в собранном состоянии носителя каталитического нейтрализатора располагается вблизи торца 12 сотового элемента 4. На внутреннюю стенку трубчатого кожуха на участке 14 дополнительно нанесен слой 7 припоя.

После помещения сотового элемента 4 в трубчатый кожух 1 их соединяют между собой за счет образования паяных соединений. По завершении процесса пайки сотовый элемент 4 неразъемно соединен на отдельном участке 11 с трубчатым кожухом 1. Расположенная на участке 14 пассивирующая пленка 3 предотвращает при этом соединение сотового элемента 4 с трубчатым кожухом 1, что обеспечивает компенсацию различий в величинах их термического расширения на этом участке 14. Слой 7 припоя служит для соединения между собой металлических листов 9.

На фиг.2 предлагаемый в изобретении носитель каталитического нейтрализатора показан со стороны его торца. Трубчатый кожух 1 охватывает множество металлических листов 9, которые их радиально внешними концевыми участками 13 прилегают к трубчатому кожуху 1. Среди слоев металлических листов имеются гладкие и гофрированные металлические листы 16, которые расположены таким образом, что они образуют в сотовом элементе проточные для ОГ каналы 10.

На фиг.3 схематично показана структура предлагаемого в изобретении корпуса для сотового элемента с изображением последовательности расположения различных слоев (3, 6, 7) на участке 14 внутренней стенки трубчатого кожуха 1. На внутренней стенке 2 трубчатого кожуха 1 расположен связующий слой 6, который обеспечивает прочное сцепление пассивирующей пленки 3 с трубчатым кожухом 1. Пассивирующая пленка 3 имеет толщину 8, которая может варьироваться в определенных пределах в зависимости от требований, предъявляемых к носителю каталитического нейтрализатора. Поверх пассивирующей пленки 3 дополнительно расположен слой 7 припоя, обеспечивающий соединение между собой концевых участков 13 соседних металлических листов 9.

На фиг.4 в разрезе схематично показан овальный трубчатый кожух 1 с сотовым элементом 4 и пассивирующей пленкой 3. Сотовый элемент состоит из множества слоев свернутых в рулон и/или набранных в пакет металлических листов 9, которые по меньшей мере на отдельных участках структурированы или профилированы таким образом, что они образуют в сотовом элементе проточные для ОГ каналы. Сотовый элемент 4 имеет множество таких каналов 10, которые ограничены гладкими и/или гофрированными металлическими листами 16, и заключен в трубчатый кожух 1. Трубчатый кожух 1 имеет внутреннюю стенку 2 с пассивирующей пленкой 3 на участке 17. На участке 17, на котором согласно изобретению нежелательно образование паяного соединения, овальный или эллиптический трубчатый кожух 1 имеет больший радиус кривизны.

Изготовленный предлагаемым в изобретении способом и имеющий предлагаемую в изобретении конструкцию носитель каталитического нейтрализатора позволяет компенсировать различия в величинах термического расширения сотового элемента и трубчатого кожуха, при этом изготовление подобного носителя каталитического нейтрализатора предлагаемым в изобретении способом обеспечивает оптимальное протекание процесса пайки и прежде всего процесса вакуумной пайки твердым припоем.

Реферат

Изобретение может быть использовано в системах выпуска отработавших газов ДВС транспортных средств. В заявке описан корпус для сотового элемента, имеющий трубчатый кожух с внутренней стенкой, при этом трубчатый кожух для целенаправленного предотвращения его неразъемного соединения с сотовым элементом имеет по меньшей мере на некотором участке его внутренней стенки пассивирующую пленку. В заявке описан также способ изготовления носителя каталитического нейтрализатора, имеющего сотовый элемент, а также предлагаемый в изобретении корпус. Изготовленный подобным способом носитель каталитического нейтрализатора позволяет исключить возникновение температурных напряжений между сотовым элементом и трубчатым кожухом, а при его изготовлении обеспечивает прежде всего надежное проведение процесса пайки, в том числе и вакуумной пайки. Изобретение позволяет компенсировать различие в величинах термического расширения сотового элемента и трубчатого кожуха. 3 н. и 25 з.п. ф-лы, 4 ил.

Формула