Сотовый элемент с электрическим подогревом и устройство для каталитического превращения газов - RU2167313C2
Код документа: RU2167313C2
Чертежи
Описание
Настоящее изобретение относится к сотовому элементу с электрическим подогревом и к устройству для каталитического превращения газов, в частности, отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания.
Из WO 92/13636 известен сотовый элемент с несколькими опирающимися друг на друга дисками. В этом сотовом элементе имеется по меньшей мере два отстоящих друг от друга на определенном расстоянии диска, через которые последовательно проходит поток ОГ.
Кроме того, известно устройство для каталитического превращения газов, в частности, отработавших газов в системе нейтрализации ОГ, в котором поток текучей среды последовательно проходит через первый и второй сотовые элементы. Эти сотовые элементы соединены друг с другом с помощью выступающих в них опорных элементов. Для максимально быстрого достижения необходимых для каталитического превращения ОГ условий один из сотовых элементов снабжен электрическим подогревом. С этой целью в сотовом элементе предусмотрены по меньшей мере две соединенные с боковой поверхностью сотового элемента токораспределительные структуры, каждая из которых подключена к источнику электрического тока. Эти структуры обеспечивают равномерное токораспределение. Сотовый элемент с электрическим подогревом соединен с трубчатым кожухом с использованием промежуточного изолирующего слоя. Трубчатый кожух имеет по меньшей мере два выгнутых наружу желобка, в которые входят соответствующим образом сформованные желобки токораспределительных структур. Эти структуры имеют выступающие наружу штыри, электрически изолированные от трубчатого кожуха. Эти штыри служат контактными выводами для подключения подогреваемого каталитического нейтрализатора к источнику электрического тока. Вследствие различного теплового расширения отдельных компонентов устройства место соединения штырей с выполненными в форме вкладышей токораспределительными структурами подвергается механической нагрузке. Для уменьшения этой механической нагрузки токораспределительные структуры снабжены выгнутыми наружу желобками, через которые от этих структур на трубчатый кожух передаются возникающие усилия. Подобное устройство описано, например, у. P.F. Kuper, W. Maus и др. в SAE Technical Papers, Series 940465 "Ultra-Low Power Electrically Heated Catalyst System", а также в описании к промышленному образцу G 9317050 U1.
Из работы "Elektrisch beheizbarer Katalysator EMICAT", опубликованной в сентябре 1995 г. на фирме Emitec Gesellschaft fur Emissionstechnologie mbH, известен снабженный подогревом каталитический нейтрализатор 6-й серии, состоящий из двух расположенных рядом друг с другом в одном общем трубчатом кожухе сотовых элементов, через которые последовательно проходит поток газа. Первый сотовый элемент выполнен с электрическим подогревом. Этот элемент вставлен в наружный трубчатый кожух и отделен от него кольцевым зазором, при этом оба сотовых элемента соединены друг с другом электроизолирующими опорными элементами.
Недостаток известных сотовых элементов с электрическим подогревом, которые электрически разделены в поперечном сечении, в частности, воздушным зазором, состоит в том, что они обладают сравнительно низкой собственной жесткостью.
В основу настоящего изобретения была положена задача создать сотовый элемент с электрическим подогревом, который обладал бы более высокой жесткостью, прежде всего в наружной зоне.
Еще одной задачей изобретения является создание устройства для каталитического превращения газов, в частности, ОГ двигателя внутреннего сгорания, по меньшей мере с одним сотовым элементом с электрическим подогревом, причем в этом устройстве практически полностью должно быть исключено байпасирование потока через кольцевой зазор между сотовым элементом с электрическим подогревом и трубчатым кожухом.
Эти задачи решаются с помощью предложенных сотового элемента с электрическим подогревом и устройства каталитического превращения газов.
Предложенный сотовый элемент с электрическим подогревом для каталитического превращения газов, в частности, ОГ двигателя внутреннего сгорания, имеет множество сквозных каналов для прохождения текучей среды и электрически разделен в поперечном сечении и/или в осевом направлении, в частности, меандрообразно и/или спиралеобразно, причем на боковой поверхности этого сотового элемента расположены по меньшей мере две выполненные в форме вкладышей токораспределительные структуры, которые полностью отделены от трубчатого кожуха кольцевым зазором. Согласно изобретению каждая токораспределительная структура имеет по меньшей мере один обращенный радиально внутрь или наружу и проходящий по периметру выступающий сегмент.
Благодаря наличию такого по меньшей мере одного проходящего в радиальном направлении и по периметру краевого выступающего сегмента расположенной на боковой поверхности сотового элемента токораспределительной структуре придается повышенная жесткость, в результате чего собственная жесткость самого сотового элемента также повышается. По этой причине можно отказаться от дополнительных мер касательно восприятия растягивающих усилий, поскольку они воспринимаются токораспределительной структурой. Отделяющий трубчатый кожух кольцевой зазор, служащий также для электроизоляции, даже при высокой рабочей нагрузке может быть очень узким, благодаря чему газ практически не может протекать в обход сотового элемента вдоль него.
У каждой токораспределительной структуры предпочтительно по периметру имеется два или более отстоящих друг от друга выступающих сегмента. Эти выступающие сегменты могут быть расположены в общей плоскости.
Согласно еще одному предпочтительному варианту предлагается сотовый элемент, у которого каждая токораспределительная структура, расположенная в первой плоскости, а также во второй плоскости, имеет несколько отделенных друг от друга зазорами выступающих сегментов, причем выступающие сегменты, лежащие в одной из плоскостей, по меньшей мере частично перекрывают зазоры между выступающими сегментами, лежащими соответственно в другой плоскости. Благодаря такому перекрытию, если смотреть в направлении течения потока газа, образуется псевдозамкнутый краевой выступающий сегмент. Этот, соответственно эти сегменты на токораспределительной структуре могут быть выполнены в виде отдельных деталей. Однако предпочтительно, чтобы каждый выступающий сегмент являлся составной частью токораспределительной структуры, т. е. чтобы сегмент был выполнен за одно целое с этой токораспределительной структурой.
Предпочтительным является такое выполнение сотового элемента, при котором выступающий сегмент или сегменты получают с помощью отбортовки токораспределительной структуры. Изготовление таких токораспределительных структур является относительно простым и экономичным.
Предпочтительно также, чтобы по крайней мере один выступающий сегмент имел по меньшей мере одно углубление, желательно в виде сверленного отверстия, причем это углубление должно проходить от края выступающего сегмента в направлении к токораспределительной структуре.
Преимущество выполненного в виде шлица углубления заключается в упрощении сборки устройства.
Предпочтительно, когда углубление имеет первый, проходящий от края выступающего сегмента в направлении к токораспределительной структуре, в частности, радиально внутрь, участок и по меньшей мере один второй примыкающий к этому первому участку и проходящий по периметру участок.
Благодаря этому достигается соединение выступающего сегмента с опорными элементами по типу байонетного.
В соответствии с изобретением выступающий сегмент или сегменты образует, соответственно образуют между трубчатым кожухом и токораспределительными структурами уплотнение, предпочтительно лабиринтное уплотнение.
Благодаря этому практически полностью предотвращается обтекание сотового элемента, что повышает его КПД как носителя катализатора.
В соответствии с изобретением между каждой токораспределительной структурой и кожухом целесообразно разместить мат из электроизоляционного термостойкого материала.
При этом каждая токораспределительная структура, а также расположенные в первой плоскости и во второй плоскости выступающие сегменты образуют гнездо для размещения мата, соответственно матов.
Описанный выше сотовый элемент с электрическим подогревом предпочтительно использовать в устройствах каталитического превращения газов, в частности, ОГ двигателей внутреннего сгорания. Это устройство имеет по меньшей мере первый и второй расположенные рядом в одном трубчатом кожухе сотовые элементы, через которые последовательно протекает газ, причем по меньшей мере первый из них представляет сотовый элемент с электрическим подогревом, а сами расположенные рядом сотовые элементы соединяются друг с другом электроизолирующими опорными элементами.
Благодаря наличию обращенных радиально наружу и проходящих по периметру выступающих сегментов по меньшей мере частично предотвращается байпасирование потока газа в обход сотового элемента с электрическим подогревом.
Соединение сотового элемента с электрическим подогревом с последующим сотовым элементом осуществляется предпочтительно таким образом, чтобы по меньшей мере часть опорных элементов соединялась с выступающим сегментом или выступающими сегментами сотового элемента. Соединение опорных элементов с выступающим сегментом или выступающими сегментами может осуществляться с помощью присадочного материала или с геометрическим замыканием.
Другие преимущества и особенности изобретения более подробно поясняются на примерах описания его
выполнения со ссылкой на
прилагаемые чертежи, на которых показаны:
на фиг. 1 - вид спереди первого примера выполнения сотового элемента согласно изобретению,
на фиг. 2 - вид сбоку
слева в плоскости сечения
II-II по фиг. 1,
на фиг. 3 - поперечное сечение второго примера выполнения сотового элемента согласно изобретению,
на фиг. 4 - вид спереди третьего примера
выполнения сотового
элемента согласно изобретению,
на фиг. 5 - вид сверху сотового элемента по фиг. 4,
на фиг. 6 - вид сбоку слева в плоскости сечения VI-VI по фиг. 5,
на
фиг. 7 - вид сверху
четвертого примера выполнения сотового элемента согласно изобретению,
на фиг. 8 - вид сбоку слева в плоскости сечения VIII-VIII,
на фиг. 9 - вид сверху пятого
примера выполнения
сотового элемента согласно изобретению,
на фиг. 10 - вид сбоку слева в плоскости сечения X-X сотового элемента по фиг. 9,
на фиг. 11 - поперечное сечение шестого
примера выполнения
сотового элемента согласно изобретению,
на фиг. 12 - продольный разрез устройства для каталитического превращения ОГ согласно изобретению,
на фиг. 13 - фрагмент
сотового элемента с
углублением в выступающем сегменте и
на фиг. 14 - фрагмент сотового элемента с токораспределительной структурой с выступающим сегментом и другой формой углубления.
На фиг. 1 показан первый пример выполнения сотового элемента 1 с электрическим подогревом для каталитического превращения ОГ, в частности, ОГ двигателя внутреннего сгорания. Сотовый элемент 1 состоит из нескольких слоев, образующих множество сквозных каналов 4 для прохождения текучей среды гофрированных металлических листов 2 с малой высотой гофров и гофрированных листов 3 с большей высотой гофров. На боковой поверхности 5 сотового элемента 1 расположены две выполненные в форме вкладышей токораспределительные структуры 6 и 7. Эти токораспределительные структуры 6, 7 не имеют друг с другом непосредственного электрического контакта. На фиг. 1 не показаны токоподводы к соответствующим токораспределительным структурам 6, 7, соединенные с соответствующим источником напряжения. Токораспределительные структуры 6, 7 кольцевым зазором 17 полностью отделены от концентрично охватывающего их трубчатого кожуха 20.
Каждая токораспределительная структура 6, 7 имеет два обращенных радиально наружу и проходящих по периметру выступающих сегмента 8, 9, соответственно 10, 11, как это наиболее наглядно показано в сечении на фиг. 2. Выступающие сегменты 8, 9, соответственно 10, 11 выполнены за одно целое с токораспределительной структурой 6, соответственно 7. Отдельные выступающие сегменты 8, 9, 10 и 11 изготовлены путем отбортовки краевого участка токораспределительной структуры 6, соответственно 7.
Как показано на фиг. 2, осевая длина токораспределительной структуры 6, соответственно 7 равна осевой длине сотового элемента 1. Однако это не является обязательным. Осевая длина токораспределительных структур 6, 7, измеряемая без учета выступающего сегмента или выступающих сегментов либо вместе с ним, соответственно с ними, может быть больше или меньше осевой длины сотового элемента 1.
На фиг. 3 представлен второй вариант выполнения сотового элемента, имеющего электрический подогрев. Сотовый элемент 1, показанный на фиг. 4 в разрезе, имеет токораспределительную структуру 6 с обращенным радиально наружу выступающим сегментом 8. Этот выступающий сегмент 8 проходит по периметру токораспределительной структуры 6. Сотовый элемент может иметь вторую соответствующую токораспределительную структуру, показанную на фиг. 3. Выступающий сегмент 8 представляет собой складку, полученную за счет осевого сжатия токораспределительной структуры 6. С этой целью токораспределительную структуру 6 предпочтительно изготавливать из цельного листа.
На фиг. 4 представлен третий вариант выполнения сотового элемента 1 с электрическим подогревом. Сотовый элемент состоит из нескольких слоев образующих сквозные каналы 4 для прохождения газа гофрированных металлических листов 2 с малой высотой гофров и гофрированных листов 3 с большей высотой гофров. На боковой поверхности 5 сотового элемента 1 предусмотрены две расположенные на некотором расстоянии друг от друга токораспределительные структуры 6, 7. Эти токораспределительные структуры 6, 7 могут быть припаяны к сотовому элементу 1. Каждая токораспределительная структура 6, 7 имеет в первой плоскости E1 и во второй плоскости E2 несколько расположенных на определенном расстоянии друг от друга выступающих сегментов, как это показано на фиг. 5 и 6. Выступающие сегменты 8a, 8b в плоскости E1 проходят частично по периметру токораспределительной структуры 6. Между выступающими сегментами 8a, 8b имеется зазор 12. В плоскости E2 имеются выступающие сегменты 9a, 9b и 9c, частично проходящие по периметру токораспределительной структуры 6. Сегменты 8a, 8b, а также 9a, 9b и 9c выступают радиально наружу.
Выступающие сегменты 9a, 9b и 9c в плоскости Е2 расположены по периметру с таким шагом, чтобы имеющиеся между этими сегментами 9a, 9b и 9b зазоры 13 закрывались сегментами 8а, соответственно 8b. Более предпочтительно, чтобы противолежащие сегменты перекрывали друг друга. Зазор 12 между выступающими сегментами 8a, 8b в плоскости E1 перекрывается в осевом направлении выступающим сегментом 9b плоскости E2. Плоскости E1 и E2 параллельны торцовой поверхности имеющего форму диска сотового элемента 1. Как показано на фиг. 4, выступающие сегменты 8a, 8b и 9a, 9b, 9c образуют для потока ОГ, протекающего в осевом направлении сотового элемента 1, псевдозамкнутый обращенный радиально наружу и проходящий по периметру выступ. Соответствующим образом выполнена токораспределительная структура 7 сотового элемента 1 по фиг. 4.
На фиг. 7 и 8 представлен еще один вариант выполнения сотового элемента 1 с токораспределительными структурами повышенной жесткости. Сотовый элемент, показанный на фиг. 7 и 8, в основном соответствует варианту по фиг. 4, 5 и 6. В варианте выполнения согласно фиг. 7 и 8 сотовый элемент также имеет токораспределительную структуру 6. У этой токораспределительной структуры 6 имеются направленные радиально наружу и проходящие частично по периметру выступающие сегменты 8a, 8b, лежащие в плоскости Е1. Во второй плоскости Е2, проходящей в основном параллельно плоскости Е1, имеются направленные радиально наружу и проходящие частично по периметру выступающие сегменты 9а, 9b и 9с. Сегменты 8а, 8b и 9а, 9b, 9с образованы за счет выполненных в осевом направлении токораспределительной структуры надрезов в продольных кромках 15 и 16 и загнутых радиально наружу участков между двумя соседними надрезами, причем загнутые участки, образующие соответствующий выступающий сегмент 8а, 8b, 9а, 9b или 9с, попеременно чередуются с незагнутыми участками. Каждый выступающий сегмент 8а, 8b, 9а, 9b и 9с имеет по периметру предпочтительно одинаковую длину. Выступающие сегменты в плоскости Е1, соответственно в плоскости Е2 имеют такое взаимное расположение, что по периметру непосредственно по меньшей мере за одним сегментом в плоскости Е1 следует сегмент в плоскости Е2 и наоборот. Предпочтительно, когда эти выступающие сегменты 8а, 8b, 9а, 9b, 9с по меньшей мере частично перекрывают друг друга.
На фиг. 9 и 10 представлен еще один вариант выполнения сотового элемента 1. У этого сотового элемента имеются по меньшей мере две токораспределительные структуры, при этом в виде сверху на фиг. 9 показана токораспределительная структура 6. Эта токораспределительная структура 6 имеет обращенные радиально наружу и проходящие по периметру выступающие сегменты 8а, 8b, 9а и 9b. Обращенные радиально наружу выступающие сегменты 8а, 8b, 9а и 9b лишь частично проходят по периметру. Сегменты 8а, 8b находятся в одной плоскости Е1. На определенном расстоянии от них и в основном параллельно сегментам 8а, 8b расположены обращенные радиально наружу выступающие сегменты 9а, 9b. Эти сегменты 9а, 9b находятся в одной плоскости Е2. Между сегментами 8а, 8b, соответственно 9а, 9b расположены обращенные радиально внутрь выступающие сегменты 18а, 18b, соответственно 19а, 19b. Эти обращенные радиально внутрь сегменты 18а, 18b, а также 19а, 19b по типу скобы охватывают сотовый элемент 1. Для получения представленной на фиг. 9 и 10 токораспределительной структуры 6 выполняют осевые надрезы, а находящиеся между ними участки попеременно загибают радиально внутрь и наружу с образованием показанной на фиг. 9 и 10 токораспределительной структуры. Смежные обращенные радиально наружу выступающие сегменты 8а, 8b, соответственно 9а, 9b предпочтительно размещать с таким шагом, чтобы сегмент 8а, 8b по меньшей мере частично перекрывал промежуток или зазор между сегментами 9а, 9b.
Выступающие сегменты плоскости Е1 и краевые сегменты плоскости Е2, а также токораспределительная структура 6, 7 соответственно образуют гнездо, в которое может быть помещен не изображенный на чертежах мат. Для фиксации мата сегменты 8а, 8b первой плоскости Е1 и/или сегменты 9а, 9b второй плоскости Е2 могут быть выполнены слегка наклоненными друг к другу.
Простое выполнение сотового элемента с электрическим подогревом с обладающими повышенной жесткостью токораспределительной структурой 6, соответственно 7 показано на фиг. 11. Токораспределительная структура 6, соответственно 7 имеет выступающий сегмент 8, обращенный радиально наружу, и выступающий сегмент 19, обращенный радиально внутрь. Обращенный радиально внутрь сегмент 19 и обращенный радиально наружу сегмент 8 проходят по всему периметру токораспределительной структуры 6, 7. Обращенный радиально внутрь выступающий сегмент 19 прилегает к сотовому элементу 1.
На фиг. 12 изображено устройство для каталитического превращения газов, в частности, ОГ двигателей внутреннего сгорания. Это устройство состоит из двух расположенных в одном общем трубчатом кожухе 20 сотовых элементов 1, 21, через которые последовательно проходит поток газа G. Первый элемент 1 расположен в трубчатом кожухе 20 с некоторым отступлением от его внутренней поверхности и имеет электрический подогрев. Наружная боковая поверхность первого сотового элемента 1 образована двумя выполненными в форме вкладышей токораспределительными структурами 6, 7. Каждая из этих токораспределительных структур 6, 7 соединена с контактными выводами 22, 23 для подключения к источнику электропитания. Выводы 22, 23 обращены радиально наружу и проходят через имеющиеся в общем трубчатом кожухе 20 отверстия 24, 25. Выводы 22, 23 проходят через соединительные детали 26, 27, приваренные к общему трубчатому кожуху 20. Каждая соединительная деталь 26, 27 имеет соответствующий изоляционный слой 28, 29, поэтому выводы 22, 23 электрически изолированы от общего трубчатого кожуха 20.
Сотовый элемент 21 имеет внутренний трубчатый кожух 30. Токораспределительная структура 6, соответственно 7 соединена с внутренним трубчатым кожухом 30 с помощью опорных элементов 31. При этом каждый опорный элемент 31 входит в выступающий сегмент 8, соответственно 9 токораспределительной структуры 6, соответственно 7. Опорные элементы 31 могут быть соединены с выступающим сегментом или выступающими сегментами 8, 9 с помощью соответствующего присадочного материала.
Опорные элементы 31 предпочтительно выполнены таким образом, что они соединяют сотовый элемент 1 с сотовым элементом 21, электрически изолируя их.
На фиг. 13 и 14 представлены углубления 32, предусмотренные в выступающем сегменте 8 токораспределительной структуры 6. На фиг. 13 таким углублением 32 является отверстие в выступающем сегменте 8. Через это отверстие проходит опорный элемент 31. На фиг. 14 показан другой вариант выполнения углубления 32 под опорный элемент 31. Это углубление имеет первый обращенный радиально внутрь и открытый в сторону края участок 33. К участку 33 примыкает проходящий в основном по периметру участок 34.
Сотовые элементы с электрическим подогревом, а также устройство с таким сотовым элементом служат для каталитического превращения газов, в частности, ОГ двигателя внутреннего сгорания. Сотовый элемент, соответственно устройство могут использоваться и для решения других задач, связанных с очисткой. Область применения сотового элемента, соответственно устройства определяется в основном наносимым на сотовый элемент каталитически активным материалом.
Реферат
Изобретение относится к системам нейтрализации отработавших газов, в частности ДВС. Сотовый элемент с электрическим подогревом для каталитического превращения газов, в частности отработавших газов ДВС, имеет множество сквозных каналов для прохождения текучей среды и электрически разделен в поперечном сечении и/или по осевой длине, в частности в форме меандра и/или спирали, причем на боковой поверхности размещены по меньшей мере две выполненные в основном в форме вкладышей токораспределительные структуры, которые полностью отделены от трубчатого кожуха кольцевым зазором, при этом каждая токораспределительная структура имеет по меньшей мере один обращенный радиально внутрь или наружу и проходящий по периметру выступающий сегмент. Такая конструкция предотвращает деформацию токораспределительных структур при высоких рабочих нагрузках. 2 с. и 15 з.п. ф-лы, 14 ил.
