Элемент с сотовой структурой и устройство для нейтрализации отработавших газов, имеющее элемент с сотовой структурой - RU2153083C2

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к элементу с сотовой структурой, в частности к корпусу-носителю каталитического нейтрализатора для каталитического превращения отработавших газов (ОГ) в системе выпуска ОГ и к устройству для нейтрализации отработавших газов, имеющему элемент с сотовой структурой.

Обычно элементы с сотовой структурой применяются в безрельсовых транспортных средствах с дизельными двигателями или двигателями внутреннего сгорания с искровым зажиганием.

Известно большое количество различных конструкций элементов с сотовой структурой. Они могут быть изготовлены из керамического материала, в частности, экструзией. Другой тип элементов с сотовой структурой состоит из свернутых в рулон, набранных в пакет и/или петлеобразно скрученных слоев по крайней мере частично структурированных металлических листов. При этом сопротивление потоку в канале у такого элемента с сотовой структурой зависит от формы и структуры стенок этого канала. Его форма и размер определяют гидравлический диаметр тогда, как структуры и/или препятствия на концах и/или во внутренней части канала дополнительно могут увеличивать сопротивление потоку.

Поскольку поток в системе трубопроводов в целом имеет приблизительно параболический профиль скорости, когда скорость потока в центре максимальна, а по краям равна нулю, то уже известны такие конструкции элемента с сотовой структурой, в которых сопротивление потоку в центральной зоне больше, чем в краевых зонах. Подобные элементы с сотовой структурой описаны, например, в европейских заявках ЕР-0336106 B1 и ЕР-0542805 B1. Известные из уровня техники решения в целом основаны на вращательно-симметричных потоках, за счет чего элемент с сотовой структурой с различными сечениями каналов всегда имеет приблизительно симметричное, в целом концентрическое расположение каналов с различным поперечным сечением. В элементах с овальным или эллиптическим поперечным сечением стремятся реализовать соответствующее расположение с двумя взаимно перпендикулярными осями симметрии.

Кроме того, из международных заявок WO 90/08249, WO 91/01178 и WO 91/01807 известны такие структуры внутри каналов элемента с сотовой структурой, которые повышают сопротивление потоку.

В европейской заявке ЕР-0542775 B1 также описан еще один элемент с сотовой структурой, в котором предусмотрено увеличение в направлении потока числа каналов на единицу площади поперечного сечения, хотя такой элемент и изготовлен в виде единой детали.

Было установлено, что в некоторых системах выпуска ОГ, в частности в зоне вблизи двигателя, отсутствуют симметричные условия течения потока. Вследствие конструктивных особенностей натекание потока на входе в элементы с сотовой структурой, применяющиеся в каталитических нейтрализаторах, прежде всего в зоне вблизи двигателя, происходит эксцентрично и/или несимметрично, поэтому в определенных местах возникают особенно высокие нагрузки на торцевую сторону элемента с сотовой структурой, приводящие к их повреждениям и сокращению срока службы.

При использовании элементов с сотовой структурой с электрическим подогревом натекание потока на входе в элемент с сотовой структурой также носит неравномерный характер, поскольку в элементе с электрическим подогревом могут иметься воздушные зазоры, предусмотренные для электрической распределительной системы и обладающие меньшим сопротивлением потоку по сравнению с остальными каналами элемента с электрическим подогревом.

Из международной заявки WO 92/13636 известно устройство для каталитического превращения отработавших газов в системе выпуска, которое состоит по меньшей мере из двух элементов с сотовой структурой, отстоящих друг от друга на определенное расстояние и расположенных последовательно в направлении потока отработавшего газа. Каждый элемент с сотовой структурой имеет каналы для прохождения текучей среды. Вблизи оси потока предусмотрены опорные элементы, с помощью которых элементы с сотовой структурой соединены друг с другом и которые обеспечивают их взаимное прилегание. Первый по направлению потока элемент с сотовой структурой выполнен с электрическим подогревом. Этот элемент с электрическим подогревом по своему поперечному сечению электрически разделен керамическими изолирующими слоями, вследствие чего электрический ток проходит по заданному этим разделением пути. Элемент с электрическим подогревом служит для минимизации выброса вредных веществ в фазе холодного запуска теплового двигателя.

Далее известна конструкция, в которой электроизоляция электропроводящих путей в элементе с сотовой структурой с подогревом от смежных частей конструкции осуществляется с помощью воздушных зазоров. Такое устройство описано в статье P. F. Kuper и др. "Ultra-Low Power Electrically-Heated Catalist System", SAE Technical Papers Series 940465. Воздушный зазор вызывает неравномерное протекание потока через элемент с сотовой структурой, поскольку в зависимости от конструкции отдельного элемента часть подвергающейся нейтрализации текучей среды проходит через воздушный зазор. Это может особо ярко проявляться в тех случаях, когда размер каналов в первом элементе с сотовой структурой близок к ширине зазора или меньше ее, поэтому таких конструкций до сих пор старались избегать. Вследствие этого часть текучей среды в фазе холодного запуска не подвергалась бы вовсе либо подвергалась превращению лишь незначительно или же некоторые участки последующего элемента с сотовой структурой подвергались бы более сильным нагрузкам. Из этой статьи P.F. Kuper и др. известно устройство с большим количеством удлиненных опорных элементов, имеющих на своих концевых участках различные площади поперечного сечения, расположенных между первым и вторым элементом с сотовой структурой и механически их соединяющих, однако электрически изолированных друг от друга. Каждый опорный элемент входит своим более толстым концевым участком по крайней мере частично в канал первого, а своим более тонким концевым участком в канал второго элемента с сотовой структурой, при этом первый электрически подогреваемый элемент с сотовой структурой имеет меньшее количество каналов, отнесенное к площади поперечного сечения, чем второй элемент с сотовой структурой.

В противоположность этой известной конструктивной форме в соответствии с изобретением предложено устройство, в котором площадь поперечного сечения концевого участка каждого опорного элемента, входящего в канал второго элемента с сотовой структурой, превышает площадь поперечного сечения концевого участка, входящего в канал первого элемента с сотовой структурой. Кроме того, второй элемент с сотовой структурой имеет каналы, размеры которых рассчитаны таким образом, чтобы в их поперечное сечение опорные элементы могли входить без повреждения ограничивающих канал стенок. Для этого можно использовать, например, один или несколько гофрированных металлических листов с большей высотой гофр, чем у остальных металлических листов второго элемента с сотовой структурой.

Более близким техническим решением из известных к предложенному элементу с сотовой структурой является описанный в заявке Германии N 4025434 элемент с сотовой структурой, имеющий множество каналов для прохождения текучей среды, где часть каналов обладает большим сопротивлением потоку по сравнению со второй частью каналов, и по крайней мере одну зону с большей плотностью размещения или большим количеством каналов с увеличенным сопротивлением потоку.

Более близкое к предложенному по техническому существу устройство для нейтрализации отработавших газов, имеющее элемент с сотовой структурой, раскрыто в международной заявке WO 92/13636, в котором предусмотрен второй элемент с сотовой структурой и расположенный перед ним первый элемент с сотовой структурой с электрическим подогревом, снабженный также множеством каналов для прохождения текучей среды, протекающей последовательно через указанные элементы.

Задачей настоящего изобретения является создание элемента с сотовой структурой, который может выравнивать эксцентричный, и/или несимметричный, и/или неравномерный характер натекания потока, обеспечивая тем самым равномерность течения потока и равномерное каталитическое превращение на всех участках потока.

Эта задача решается с помощью элемента с сотовой структурой, имеющего множество каналов для прохождения текучей среды, где первая часть каналов обладает большим сопротивлением потоку по сравнению со второй частью каналов, и по крайней мере одну зону с большей плотностью размещения или большим количеством каналов с увеличенным сопротивлением потоку. Согласно изобретению зона не является симметричной в поперечном сечении и по окружности охватывает только часть площади поперечного сечения элемента с сотовой структурой.

Целесообразно, чтобы каналы с увеличенным сопротивлением потоку имели меньший гидравлический диаметр по сравнению с остальными каналами.

Желательно также, когда каналы с увеличенным сопротивлением потоку на их начальном участке, и/или на их конечном участке, и/или внутри них имеют дополнительные, препятствующие потоку структуры.

В одной из предпочтительных форм выполнения элемент с сотовой структурой состоит по крайней мере из частично структурированных металлических листов, которые образуют каналы для прохождения текучей среды.

В другой предпочтительной форме выполнения указанный элемент содержит по крайней мере один петлеобразно скрученный пакет металлических листов, желательно два или более пакетов, в частности, из металлических листов.

При этом часть металлических листов имеет другую структуру по сравнению с остальными металлическими листами, вследствие чего каналы, образованные этой частью металлических листов, обладают большим сопротивлением потоку по сравнению с остальными каналами.

Еще в одной предпочтительной форме реализации элемент с сотовой структурой может быть выполнен из чередующихся гладких и гофрированных металлических листов, где гофрированные металлические листы имеют по крайней мере две различные высоты гофр, а металлические листы с меньшей высотой гофр образуют каналы, обладающие увеличенным сопротивлением потоку.

Предлагается также устройство для нейтрализации отработавших газов, имеющее второй элемент с сотовой структурой в соответствии с изобретением и расположенный перед ним первый элемент с сотовой структурой с электрическим подогревом, который также имеет множество каналов для прохождения текучей среды так, что она последовательно проходит через элементы с сотовой структурой. Согласно изобретению элемент с сотовой структурой с электрическим подогревом электрически разделен в своем поперечном сечении по крайней мере одним воздушным зазором, в частности, имеющим форму меандра и/или спиралевидную форму, а второй элемент с сотовой структурой имеет по крайней мере в зоне, расположенной напротив воздушного зазора, большую плотность размещения каналов с большим сопротивлением потоку, чем в остальных зонах элемента с сотовой структурой.

Целесообразно, когда количество каналов на единицу площади поперечного сечения в зоне второго элемента с сотовой структурой, расположенной напротив воздушного зазора, превышает количество каналов в остальных зонах этого элемента с сотовой структурой.

При этом количество каналов на единицу площади поперечного сечения в зоне, расположенной напротив воздушного зазора, может изменяться в направлении потока. Количество каналов изменяется на отдельных участках.

Предпочтительно, когда наибольший диаметр каналов в первом элементе с сотовой структурой равен или меньше средней ширины воздушного зазора.

Важно, что первый элемент с сотовой структурой имеет большее количество каналов на единицу площади поперечного сечения, чем второй элемент с сотовой структурой.

В устройстве для нейтрализации отработавших газов в соответствии с изобретением между первым и вторым элементами с сотовой структурой расположены и механически их соединяют множество удлиненных имеющих различное поперечное сечение на своих концевых участках опорных элементов, каждый из которых по крайней мере частично входит в один канал первого и в один канал второго элемента с сотовой структурой, а площадь поперечного сечения толстого концевого участка каждого опорного элемента, входящего в канал второго элемента с сотовой структурой, больше площади поперечного сечения тонкого концевого участка, входящего в канал первого элемента с сотовой структурой.

В предпочтительном варианте выполнения второй элемент с сотовой структурой имеет расположенные слоями по крайней мере частично структурированные металлические листы, которые образуют каналы, проходящие в направлении потока, с размерами, определяемыми структурой листа, при этом второй элемент с сотовой структурой включает по крайней мере два вида различным образом структурированных металлических листов.

Желательно, когда второй элемент с сотовой структурой имеет по крайней мере один первый слой гофрированных металлических листов с меньшей высотой гофр, расположенных напротив воздушного зазора, и по крайней мере один второй слой гофрированных металлических листов с большей высотой гофр, в который входят опорные элементы.

Следует отметить, что слои различным образом структурированных металлических листов в каждом случае расположены только на переднем участке элемента с сотовой структурой.

Причем отношение количества каналов к площади поперечного сечения на последующем(их) по направлению потока участке(ах) увеличивается или уменьшается в направлении потока, в частности увеличивается за слоем гофрированных металлических листов с большим размером гофр и/или уменьшается за слоем гофрированных металлических листов с меньшим размером гофр.

Наиболее целесообразно первый и второй элементы с сотовой структурой выполнить из петлеобразно скрученных между собой металлических листов, в частности из S-образно скрученных пакетов металлических листов, и ориентировать таким образом, чтобы направления скручивания обоих элементов с сотовой структурой практически совпадали друг с другом, в частности, по ориентации S-образного скручивания и высоте пакета.

Настоящее изобретение позволяет изготовить оптимизированный для каждого случая применения элемент с сотовой структурой, при этом распределение сопротивления потоку в элементе с сотовой структурой предусматривается в соответствии с характером потока (что может быть определено экспериментально или путем расчетов). В зонах с более интенсивным натеканием сопротивление потоку по крайней мере на части длины в осевом направлении элемента с сотовой структурой повышают за счет того, что в этих зонах предусматривают каналы меньшего сечения и/или каналы с дополнительными повышающими сопротивление потоку структурами.

Такую конструкцию можно применять во многих типах элементов с сотовой структурой, однако наиболее просто она может быть реализована в металлических элементах с сотовой структурой, состоящих по крайней мере из частично структурированных металлических листов. В частности, элементы с сотовой структурой, которые состоят из по крайней мере одного пакета петлеобразно скрученных друг с другом металлических листов, можно с помощью использования металлических листов с различными высотами структур на определенных участках очень легко модифицировать таким образом, что они будут соответствовать определенным условиям натекания потока. При этом оказывается возможным с помощью соответствующего изменения структур выровнять эксцентричное натекание потока как в отдельной, так и в двух или более зонах.

Кроме того, основная идея изобретения при применении так называемых тандемных конструкций с подогреваемым каталитическим нейтрализатором, расположенным перед вторым элементом с сотовой структурой, состоит в том, что путем направленного регулирования распределения сопротивления потоку во втором элементе с сотовой структурой можно влиять также и на характер потока текучей среды в первом элементе с сотовой структурой и таким образом увеличить суммарную каталитическую эффективность устройства. Характер потока текучей среды можно изменять за счет того, что второй элемент с сотовой структурой по крайней мере в зоне, расположенной напротив воздушного зазора, имеет большее сопротивление потоку по сравнению с остальными его зонами. Благодаря этому достигается то, что объем потока текучей среды через воздушный зазор уменьшается, а текучая среда поступает во второй элемент с сотовой структурой более равномерно. При этом увеличивается та часть текучей среды, которая вступает в контакт с обладающей каталитическим действием поверхностью первого элемента с сотовой структурой, за счет чего улучшается степень превращения в фазе холодного запуска.

Для увеличения сопротивления потоку во втором элементе с сотовой структурой в той его зоне, которая расположена напротив воздушного зазора, предлагается выполнять большее количество каналов на единицу площади поперечного сечения, с учетом площади поперечного сечения воздушного зазора, чем в остальных зонах элемента с сотовой структурой. При этом предполагается, что в целом оба элемента с сотовой структурой имеют схожие конструкции, что более подробно описано ниже на примере выполнения изобретения.

Сопротивление потоку можно также увеличить не за счет уменьшения поперечного сечения каналов на определенных участках, а с помощью дополнительных структур в каналах. Для получения участков с различными сопротивлениями потоку обе меры могут применяться как по отдельности, так и в комбинации. Дополнительные структуры могут положительно влиять в большинстве ситуаций на процесс диффузии в элементе с сотовой структурой и тем самым приводить к более высокой каталитической активности.

Количество каналов на единицу площади поперечного сечения как в зоне, расположенной напротив воздушного зазора, так и в остальных зонах поперечного сечения может быть постоянным по всей длине пути потока через второй элемент с сотовой структурой. То же самое относится и к дополнительным структурам. Это может привести, прежде всего в случае длинных элементов с сотовой структурой, к нежелательно высокой потере полного давления в устройстве. Поэтому предпочтительно разработать устройство, предусматривающее использование второго элемента с сотовой структурой, в котором количество каналов, отнесенное к площади поперечного сечения, изменяется в направлении потока. Количество каналов в зоне, расположенной напротив воздушного зазора, может также уменьшаться в направлении потока. Уменьшение количества каналов при постоянной площади поперечного сечения приводит к увеличению свободного поперечного сечения потока в канале. За счет этого можно отрегулировать требуемый профиль потока за вторым элементом с сотовой структурой и соответственно за всем устройством, что также имеет особое значение для поглощения звука в системе выпуска ОГ.

В зависимости от длины второго элемента с сотовой структурой можно оптимизировать поперечное сечение каналов таким образом, чтобы в зоне напротив воздушного зазора сопротивление потоку было достаточно большим с целью равномерного распределения текучей среды, а на другой стороне потеря полного давления в устройстве была не слишком высокой.

В предпочтительном варианте выполнения устройства количество каналов сначала увеличивается в направлении потока, а затем уменьшается. Таким путем можно, например, изготовить симметричный элемент с сотовой структурой, ориентация которого при монтаже может быть любой, что исключает ошибки при сборке. Кроме того, такие устройства при определенных обстоятельствах позволяют использовать шумопоглощающие свойства элемента с сотовой структурой.

Другие примеры осуществления изобретения более подробно описаны ниже с ссылкой на чертежи, на которых:
фиг. 1 показывает вид устройства спереди,
фиг. 2 - продольное сечение устройства на фиг. 1,
фиг. 3 - схематическое изображение вида спереди второго элемента с сотовой структурой,
фиг. 4 - продольное сечение элемента с сотовой структурой,
фиг. 5 - часть продольного сечения канала в элементе с сотовой структурой, имеющего дополнительные структуры,
фиг. 6 - схематическое изображение поперечного сечения элемента с сотовой структурой, состоящего из трех петлеобразно скрученных между собой пакетов металлических листов, из которых один имеет каналы с увеличенным сопротивлением потоку.

На фиг. 1 и 2 показан предпочтительный пример осуществления изобретения. Устройство для нейтрализации отработавших газов в системе выпуска ОГ, в частности для тепловых двигателей, предпочтительно для двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, имеет первый элемент 1 с сотовой структурой, который расположен на некотором расстоянии от второго элемента 2 с сотовой структурой. Расстояние между обоими элементами составляет, например, от 1 до 6 мм, при этом торцевая сторона второго элемента может быть выпуклой. Второй элемент 2 с сотовой структурой служит в качестве опоры для первого более короткого элемента с сотовой структурой. Оба элемента 1 и 2 с сотовой структурой соединены друг с другом опорными элементами 3, при этом более подверженный колебаниям первый элемент 1 с сотовой структурой опирается на второй элемент 2 с сотовой структурой. Первый элемент 1 выполнен с электрическим подогревом и имеет электроизолированный зазор. Этот зазор может иметь, в частности, форму меандра и/или спиралевидную форму.

Опорные элементы 3 имеют входящий в первый элемент 1 с сотовой структурой тонкий концевой участок 18 и входящий во второй элемент 2 с сотовой структурой толстый концевой участок 17. Тонкий концевой участок 18 имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем толстый концевой участок 17.

Для электрического подогрева первый элемент 1 с сотовой структурой соединен с электроизолированными проходящими через кожух 9 электрическими подводами 10 и 11. В данном примере осуществления первый элемент 1 с сотовой структурой представляет собой элемент, который изготовлен известным способом из S-образно скрученных пакетов металлических листов. Первый элемент 1 с сотовой структурой в своем поперечном сечении электрически разделен воздушными зазорами 4, 5.

На фиг. 3 схематически изображен второй элемент 2 с сотовой структурой, также состоящий из S-образно скрученных пакетов металлических листов, при этом для простого изготовления устройства по изобретению целесообразно, чтобы оба элемента с сотовой структурой (другие по сравнению с изображенными) имели сходную конструкцию (например, имели одинаковую высоту пакетов) и были ориентированы друг относительно друга таким образом, чтобы они имели одинаковое направление и положение скрученных пакетов. Пакет состоит из гладких металлических листов 6 и структурированных металлических листов 7. Металлические листы 6 и 7 ограничивают каналы 8, через которые может проходить текучая среда. В зоне, расположенной напротив воздушных зазоров 4, 5, второй элемент 2 с сотовой структурой имеет на единицу площади поперечного сечения большее количество каналов 12 меньшего сечения, чем в остальных зонах. Каналы 12 также ограничены структурированными 13 и гладкими 14 металлическими листами. В том случае, если размер каналов 8 недостаточен для вхождения в него толстого концевого участка 17 опорного элемента 3, для этой цели могут быть предусмотрены еще один или несколько гофрированных металлических листов с большей высотой гофр, которые однако не обязательно должны проходить по всей длине в осевом направлении второго элемента 2 с сотовой структурой.

На фиг. 4 схематически изображен второй элемент 2 с сотовой структурой, который по направлению потока разделен на два участка А и В. Позициями 15 и 16 обозначены две зоны, которые имеют увеличенное количество проточных каналов на единицу площади поперечного сечения. Зоны 15 и 16 расположены напротив воздушного зазора и проходят по всему участку А элемента с сотовой структурой. На участке В поперечное сечение отдельных проточных каналов повсюду одинаково, что оказывается возможным и тогда, когда на переднем участке А предусмотрены дополнительные металлические листы с большей высотой гофр для вхождения опорных элементов 3.

На фиг. 5 показана другая возможность увеличения сопротивления потоку в канале 12 элемента 2 с сотовой структурой. Сопротивление потоку увеличивают с помощью дополнительных структур 19 по крайней мере на одном из образующих канал 12 металлических листов, в частности на структурированном металлическом листе 13. Благодаря этому также в целом повышается каталитическая активность в элементе с сотовой структурой, покрытом слоем каталитически активного вещества, поскольку дополнительные структуры 19 влияют на показанный на фиг. 5 профиль P скорости потока и усиливают процесс диффузии.

На фиг. 6 показано поперечное сечение элемента с сотовой структурой, который образован тремя петлеобразно скрученными друг с другом пакетами металлических листов, вставленными в трубчатый кожух 20. Один из пакетов, по крайней мере частично, состоит их металлических листов с более мелкой структурой, чем остальные гофрированные металлические листы 7, за счет чего каналы 12 в этом пакете имеют меньшее гидравлическое сечение и поэтому обладают большим сопротивлением потоку. Именно такая изображенная на этом чертеже в качестве примера конструктивная форма, состоящая из трех или более пакетов, позволяет путем варьирования количества и толщины пакетов в сочетании с различным образом структурированными металлическими листами 6, 7 реализовать большое многообразие вариантов распределения сопротивления потоку по площади поперечного сечения.

Настоящее изобретение по сравнению с известным уровнем техники обеспечивает большую гибкость относительно распределения сопротивления потоку по площади поперечного сечения элемента с сотовой структурой, в частности за счет выбора различного количества каналов на единицу площади поперечного сечения. Таким образом, в устройстве, состоящем по крайней мере из двух элементов с сотовой структурой, во втором элементе могут быть компенсированы неравномерности, возникающие при прохождении текучей среды через первый элемент с сотовой структурой.

Реферат

Изобретение относится к системам очистки выхлопных газов, в частности ДВС. Второй элемент имеет множество каналов для прохождения текучей среды, в котором первая часть каналов обладает большим сопротивлением потоку по сравнению со второй частью каналов, причем элемент имеет по крайней мере одну зону с большей плотностью размещения или большим количеством каналов с увеличенным сопротивлением потоку, которая не является симметричной в поперечном сечении и по окружности охватывает только часть площади поперечного сечения элемента с сотовой структурой. В частности эти каналы с увеличенным сопротивлением потоку имеют меньший гидравлический диаметр, чем остальные каналы, или на их начальном участке и/или на их конечном участке, и/или внутри них имеют дополнительные, препятствующие потоку структуры. Второй элемент используется в устройстве для нейтрализации отработавших газов. Перед вторым элементом установлен другой элемент с сотовой структурой и электрическим подогревом. Первый элемент разделен в поперечном сечении воздушным зазором, имеющим форму меандра и/или спиралевидную форму, а второй элемент имеет в зоне напротив воздушного зазора больную плотность размещения каналов с большим сопротивлением потоку, чем в остальных зонах элемента. Изобретение позволяет обеспечить равномерность течения потока. 2 с. и 17 з.п. ф-лы, 6 ил.

Формула