Каталитический конвертер с электрическим нагревом - RU2102607C1

Чертежи

Описание

Настоящее изобретение относится к каталитическому конвертеру с электрическим нагревом, включающему в себя корпус, который содержит одну конструкцию элемента с сотовой структурой, через которую в направлении потока протекают выхлопные газы двигателя внутреннего сгорания и которая на отдельных участках является электропроводящей и нагреваемой, и на отдельных участках имеет каталитически активное покрытие.

Каталитические конвертеры с электрическим нагревом описаны, например, в патенте США 5146743. Усовершенствованная конструкция, которая положена в основу настоящего изобретения, описана в WO 92/02714. Кроме того, известно неоднородное нагревание применяемых в электронагреваемых каталитических конвертерах элементов с сотовой структурой. Для этого в WO 92/13635 предлагается снабжать используемые в элементах с сотовой структурой металлические фольги с прорезями или отверстиями для оказания влияния на токораспределение.

Хотя в принципе известные конструкции электронагреваемых элементов с сотовой структурой пригодны для большинства случаев применения, тем не менее для различных заданных граничных условий проблемой является создание конструкций стандартизированных типоразмеров, которые обладают механической устойчивостью и одновременно удовлетворяют электрическим и термодинамическим требованиям.

Оказалось, что электронагреваемые каталитические конвертеры должны быть адаптированы практически к каждому типу транспортного средства, чтобы достичь оптимальных результатов. При этом прежде всего учитываются максимальные имеющиеся в наличии для нагрева силы тока, в связи с чем необходимо считаться с электрическим сопротивлением элемента с сотовой структурой при заданном напряжении питания (в большинстве случаев 8-12 В). Так как электронагреваемый элемент с сотовой структурой должен быть по возможности герметично размещен перед последующим ненагреваемым каталитическим конвертером, например, перед форкатализатором или главным катализатором, диаметр электронагреваемого элемента с сотовой структурой должен быть подогнан под эти условия. Далее, это определяется также имеющейся в наличии поверхностью нагрева в зависимости от нагреваемой массы, так что желательно, чтобы это соотношение могло варьироваться в широком диапазоне. Именно это является проблематичным в известных типах конструкций с неизменным сопротивлением и неизменным диаметром. В частности, для определенных граничных условий потребовались бы очень короткие в осевом направлении нагреваемые элементы с сотовой структурой, которые обладают недостаточной механической устойчивостью, прежде всего к возникающим в транспортных средствах вибрациям.

Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание каталитического конвертера с электрическим нагревом, который можно стандартизировать по его параметрам, но который, тем не менее, делает возможным адаптацию к заданным граничным условиям в широких пределах. При этом соотношение между поверхностью нагрева и нагреваемой массой должно быть регулируемым, а также должно быть переменным соотношение между нагреваемыми поверхностями и каталитически активными поверхностями.

Для решения этой задачи служит каталитический конвертер с электрическим нагревом, включающий в себя корпус, который содержит одну конструкцию элемента с сотовой структурой, через которую в направлении потока протекают отработанные газы двигателя внутреннего сгорания, и которая на отдельных участках является электропроводящей и нагреваемой, и которая на отдельных участках имеет каталитически активное покрытие, причем конструкция элемента с сотовой структурой с помощью прорезей и/или обладающих плохой электропроводностью зон разделена таким образом, что образуются, по меньшей мере, два расположенных в направлении протока последовательно друг за другом отдельных электронагреваемых участка с различной осевой длиной и/или различным электрическим сопротивлением. В основу изобретения положен тот факт, что каталитическое преобразование в каталитическом конвертере происходит в достаточном объеме лишь при температурах от 300 до 450^oC. Поэтому, если большой элемент с сотовой структурой нагревается медленно, то вначале каталитического преобразования практически нигде не происходит. Если же вместо этого быстро нагревать лишь очень короткий в осевом направлении участок с малой нагреваемой массой, то каталитическое преобразование в нем начинается преждевременно. Предпосылкой этого является то, что поверхность этого участка по отношению к мощности нагрева и массовому расходу еще холодного в фазе холодного запуска двигателя отработанного газа недостаточно велика. В быстро нагреваемой зоне начинается экзотермическая реакция, которая активизирует дополнительно химическую энергию, содержащуюся в отработанном газе в фазе холодного запуска, для нагрева каталитического конвертера. Электрическая энергия, подаваемая в быстро нагреваемый участок, и превращенная там химическая энергия совместно нагревают отработанный газ и непосредственно подсоединенный отдельный участок каталитического конвертера, однако температура снова падает, начиная с конца нагреваемого участка, так как последующая часть каталитического конвертера действует как тепловой сток. На короткой части за нагреваемым участком температура снова падает ниже 300^oC, так что каталитического преобразования более не происходит. В соответствии с изобретением здесь предусмотрен другой нагреваемый отдельный участок, чтобы снова повысить температуру до пригодных для каталитического преобразования пределов. В то время как первый нагреваемый отдельный участок, тем не менее, должен нагревать отработанный газ, например, от 150 до 450^oC, второй нагреваемый отдельный участок должен повысить температуру лишь, например, с 300 до 450^oC. Однозначно очевидно, что для этого требуется малая электрическая мощность, чем которая должна использоваться на первом нагреваемом участке. Второй нагреваемый отдельный участок поэтому должен иметь большее сопротивление, чем первый отдельный участок, что может быть достигнуто либо за счет другой конструкции, либо за счет более короткой аксиальной длины.

Особенно рационально, когда первый электрически нагреваемый отдельный участок имеет длину в осевом направлении, в 2-4 раза большую, чем второй электрический отдельный участок. Если в противном случае конструкция на отдельных участках одинакова, это ведет к повышению сопротивления на втором отдельном участке в 2-4 раза.

Для механической прочности конструкции элемента с сотовой структурой рационально, когда между электронагреваемыми отдельными участками расположен один косвенно нагреваемый участок. Для того чтобы можно было использовать его поверхность для каталитического преобразования, этот отдельный участок должен быть снабжен каталитически активным слоем. Хотя этот участок нагревается косвенно, однако он нагревается обоими непосредственно электронагреваемыми участками вместе с ними, так что этот отдельный участок содействует каталитическому преобразованию.

Для соблюдения строгих требований закона о защите окружающей среды необходим быстрый запуск каталитической конверсии, для чего первый электронагреваемый отдельный участок касательно его длины в осевом направлении, его электрического сопротивления, его массы и его поверхности выполнен таким образом, что он при заданном напряжении питания, например, 8-12 В, в потоке отработанного газа двигателя внутреннего сгорания в фазе холодного запуска прогревается в течение 3-5 секунд до температуры примерно 450^oC. Как ниже еще более подробно пояснено на примерах выполнения, конструктивная форма по изобретению позволяет всегда соблюдать это условие, несмотря на механически стабильную конструкцию.

Расположенный за первым электронагреваемым отдельным участком косвенно нагреваемый отдельный участок должен, кроме того, иметь такую осевую длину, массу и поверхность, чтобы снижение температуры в фазе холодного запуска вдоль осевой длины этого отдельного участка с учетом экзотермических реакций составляло лишь 50-150^oC при входной температуре 450^oC. При таком выполнении практически весь косвенно нагреваемый отдельный участок, тем не менее, способствует раннему каталитическому преобразованию и уменьшает, таким образом, выброс вредных веществ в фазе холодного запуска.

Второй электронагреваемый отдельный участок касательно его длины в осевом направлении, его электрического сопротивления, его массы и его поверхности предпочтительно выполнен таким образом, что он при заданном напряжении питания в фазе холодного запуска двигателя внутреннего сгорания при входной температуре 400^oC с учетом экзотермических реакций в этом отдельном участке вызывает повышение температуры на 50-150^oC.

Ко второму электронагреваемому отдельному участку может быть подсоединен другой отдельный участок с каталитически активным покрытием, который также содействует раннему каталитическому преобразованию. В принципе могут быть подключены другие электронагреваемые и ненагреваемые отдельные участки, действие которых в каждом случае соответствует описанным выше действиям. Разумеется, особенно рационально, если вся конструкция элемента с сотовой структурой, т. е. как нагреваемые, так и не нагреваемые отдельные участки, имеют покрытие из каталитически активного материала.

В принципе возможно, чтобы каждый отдельный участок конструкции элемента с сотовой структурой состоял из отдельных элементов с сотовой структурой, расположенных последовательно друг за другом. Однако в соответствии с изобретением предпочтительна конструкция элемента с сотовой структурой, состоящая из одного единственного элемента с сотовой структурой, который составлен из структурированных слоев металлических листов и разделен на три расположенных последовательно друг за другом в осевом направлении отдельных участка, а именно, на первый электронагреваемый отдельный участок, на подсоединенный к нему за счет множества прорезей в слоях листов, не обладающий сплошной электропроводностью в одном направлении и поэтому косвенно нагреваемый отдельный участок и на подсоединенный к нему второй электронагреваемый отдельный участок. Такая конструкция особенно проста и дешева в изготовлении и механически особенно стабильна. В отличие от известного из уровня техники, в данном случае прорези используются для полного воспрепятствования протеканию тока на отдельном участке, причем прорези расположены поперечно или под углом к направлению электрического потенциала, так что на листовых участках между прорезями электрический ток не протекает.

В большинстве известных конструктивных форм электронагреваемых элементов с сотовой структурой, описанных, например, в WO 92/02714, это означает, что прорези проходят примерно в направлении потока или под острым углом к нему, за счет чего предотвращается протекание электрического тока поперечно направлению потока. Однако осевая устойчивость отдельного участка при этом сохраняется, так как прорези практически не оказывают влияние на эту устойчивость. Нагреваемые отдельные участки прочно соединяются друг с другом в осевом направлении таким образом, что элемент имеет высокую аксиальную механическую прочность, даже тогда, когда отдельные электронагреваемые участки очень короткие. В отношении осевой устойчивости наиболее рациональными были бы прорези, проходящие точно параллельно направлению потока, однако проходящие немного наклонно к направлению потока прорези проявляют себя лучше при изгибе и, в частности, при гофрировании металлических листов, так что предпочтительна такая форма.

Как более подробно поясняется ниже с помощью примера выполнения, во многих случаях применения рациональна осевая длина всех вместе электронагреваемых отдельных участков от 4 до 20 мм, предпочтительно 6-16 мм. При этом осевая длина первого электронагреваемого отдельного участка составляет 2-10 мм, предпочтительно примерно 6 мм. В качестве оптимального диапазона для диаметра конструкции элемента с сотовой структурой наиболее рациональным является 75-105 мм, предпочтительным является диаметр примерно 90 мм.

Общая осевая длина конструкции элемента с сотовой структурой для достижения достаточной механической стабильности должна лежать в пределах от 12 до 40 мм, предпочтительно составлять 25 мм.

Настоящее изобретение может быть реализовано не только с помощью элементов с сотовой структурой, изготовленных из отдельных металлических листов, а также, например, с помощью одного единственного экструдированного элемента с сотовой структурой, который в осевом направлении разделен на последовательно расположенные друг за другом отдельные участки с увеличивающимся в направлении потока электрическим сопротивлением. Известно изготовление электропроводящих элементов с сотовой структурой из металлического порошка или смеси керамического и металлического порошков с помощью экструзии, причем электрическое сопротивление можно регулировать соотношением в смеси между металлическим и керамическим порошками. На электрическое сопротивление отдельных участков такого элемента с сотовой структурой можно также влиять с помощью последующей обработки, например, окислением или травлением, так что становится возможным простое изготовление отдельных участков с различным электрическим сопротивлением. Поэтому экструдированный элемент с сотовой структурой также может включать в себя три последовательно расположенных друг за другом в осевом направлении отдельных участка, а именно, первый электропроводящий и нагреваемый отдельный участок, подсоединенный к нему, обладающий плохой электропроводностью и поэтому косвенно нагреваемый отдельный участок и подсоединенный к нему второй электропроводящий и нагреваемый отдельный участок. Принцип работы этих участков соответствует описанным выше принципам.

Экструдированный элемент с сотовой структурой предпочтительно на отдельных участках, обладающих хорошей проводимостью, состоит преимущественно из металлического материала, а на участках, обладающих плохой проводимостью, преимущественно из керамического материала или металлического материала с высокой пористостью. Такой элемент с сотовой структурой может состоять также из пяти отдельных участков, из которых либо два, либо три являются напрямую электронагреваемыми.

Примеры выполнения настоящего изобретения, которыми оно однако не ограничивается, представлены ниже и пояснены более подробно с помощью чертежей, на которых изображено:
на фиг. 1 продольный разрез части системы удаления отработанных газов транспортного средства с конструкцией элемента с сотовой структурой по изобретению и расположенным непосредственно за ним форкатализатором;
на фиг. 2, 3 и 4 схематично растянутая в осевом направлении температурная кривая во время нагревания в фазе холодного запуска (фиг. 2), структура конструкции катализатора по изобретению (фиг. 3) и часть металлической ленты (фиг. 4), которая пригодна для конструкции элемента с сотовой структурой по изобретению и
на фиг. 5 схематичный продольный разрез структуры конструкции элемента с сотовой структурой с тремя отдельными участками.

На фиг. 1 схематично показан продольный разрез части системы удаления отработанных газов транспортного средства, а именно электронагреваемая на отдельных участках конструкция 10 элемента с сотовой структурой непосредственно перед форкатализатором 6. Через впускной диффузор 1 отработанный газ поступает в направлении движения S к конструкции 10 элемента с сотовой структурой, размещенной в корпусе 2. В подсоединенном к нему корпусе 3 расположен форкатализатор 6, причем между конструкцией 10 элемента с сотовой структурой и форкатализатором 6 имеется очень маленький зазор шириной А. К форкатализатору 6 подсоединен диффузор 4, позади которого расположен неизображенный основной катализатор. Конструкция 10 элемента с сотовой структурой имеет диаметр d, а форкатализатор 6 диаметр D. Осевая длина LW конструкции 10 элемента с сотовой структурой и осевые длины LH1, LH2 и LH3 отдельных нагреваемых участков для наглядности дополнительно представлены на фиг. 3 растянутыми в осевом направлении.

На фиг. 3 схематично показан продольный разрез конструкции 10 элемента с сотовой структурой, причем она включает в себя первый отдельный электронагреваемый участок 11, следующий за ним ненагреваемый отдельный участок 12, присоединенный снова электронагреваемый отдельный участок 13, следующий за ним ненагреваемый отдельный участок 14 и вновь электронагреваемый отдельный участок 15. Однако самые простые устройства по изобретению могут состоять также из меньшего количества отдельных участков соответствующей конструкции, причем конструкция элемента с сотовой структурой в качестве переднего диска может иметь как ненагреваемый, так и нагреваемый отдельный участок. Однако в качестве переднего диска предпочтителен нагреваемый участок.

На фиг. 2 наглядно показана в пространственном отношении температурная кривая конструкции 10 элемента с сотовой структурой в фазе холодного запуска, в которой электронагреваемые отдельные участки нагреваются. Холодные выхлопные газы натекают на отдельный участок 11 с температурой, например, 150^oC, и нагреваются сначала до 300^oC. При этой температуре начинается экзотермическое каталитическое преобразование, так что дальнейший нагрев осуществляется за счет как электрической, так и химической энергии, так что последующее повышение температуры до примерно 500^oC немного круче. В присоединенном ненагреваемом отдельном участке 12 температура падает с 500 до 300^oC, однако находится выше необходимой для каталитического преобразования температуры, так что на всем отдельном участке 12 происходит каталитическое преобразование. Электронагреваемый отдельный участок 13 снова повышает температуру до 500^oC, в то время как в последующем ненагреваемом отдельном участке 14 она снова падает до примерно 300^oC. Электронагреваемый отдельный участок 15 снова повышает температуру до 500^oC, которая затем в зазоре 5 и в подсоединенном форкатализаторе 6 снова снижается до 300^oC. Каталитическое преобразование, таким образом, происходит по всей длине LK, т.е. приблизительно от середины первого электронагреваемого отдельного участка 11 вплоть до форкатализатора 6. Общая электронагреваемая длина LH состоит из трех длин LH1, LH2 и LH3 нагреваемых отдельных участков 11, 13, 15. Очевидно, что длина LW элемента с сотовой структурой в определенных границах не зависит от общей длины LH нагреваемых участков. Кроме того, длина LK, на которой происходит каталитическое преобразование, больше общей длины LH нагреваемых участков.

На фиг. 4 в пространственном отношении показана принципиальная структура листовой полосы 17 с прорезями 16 в том виде, в котором она пригодная для изготовления конструкции 10 элемента с сотовой структурой в соответствии с конструктивной формой, описанной в WO 92/02714, которая в полном объеме включена в данное описание в качестве ссылки. Если подать напряжение к неизображенным концам листовой полосы 17, то ток течет практически только по участкам 11, 13 и 15, а не по участкам 12 и 14, так как прорези на этих участках существенно препятствуют протеканию тока. Фольга 17 может быть как гладкой, так и гофрированной. Точная форма и расположение прорезей 16 не имеют решающего значения до тех пор, пока они в своей совокупности на участках 12 и 14 препятствуют протеканию тока поперечно к направлению потока.

На фиг. 5 в схематическом виде представлена структура экструдированной конструкции 20 элемента с сотовой структурой с электронагреваемым первым отдельным участком 21, не электронагреваемым отдельным участком 22 и электронагреваемым отдельным участком 23. Отдельный участок 21 включает в себя большую металлическую часть, в то время как участок 22 имеет большую керамическую часть. В принципе, в экструдированном элементе с сотовой структурой может быть достигнуто непрерывное в направлении потока увеличение электрического сопротивления за счет соответствующего изменения смеси металлического и керамического порошков при экструзии, за счет чего задача изобретения решается наиболее оптимальным и рациональным образом.

В последующей таблице показано, каким образом конструкции элемента с сотовой структурой могут быть стандартизированы и насколько широки допустимые диапазоны для различных параметров. Таблица основана на конструктивной форме, соответствующей WO 92/02714, и в ее колонках последовательно представлены типоразмеры для электрической мощности 750 Вт, 1000 Вт, 1500 Вт, 2000 Вт, соответственно 3000 Вт. В строках один под другим приведены три различных диаметра конструкции элемента с сотовой структурой, а именно 76 мм, 86 мм, 96 мм, относящиеся к соответствующим диаметрам форкатализаторов 80 мм, 90 мм, соответственно 100 мм.

Далее обозначают:
LW длина конструкции элемента с сотовой структурой;
LH общая осевая длина нагреваемых участков;
m масса;
FH нагреваемая поверхность;
V объем.

Кроме того, указано, из скольких переплетенных друг с другом слоев выполнен элемент с сотовой структурой и сколько из участков выполнены гофрированными. Обычно для листовых полос используются высокотемпературные коррозионностойкие металлические листы из сплава железа, хрома и алюминия с толщиной от 0,04 до 0,1 мм. Как видно из таблицы, элементы с сотовой структурой по изобретению пригодны, в частности, для использования преимущественно для нижних диапазонов электрических мощностей 750 Вт, 1000 Вт или 1500 Вт. Для более высоких мощностей стандартизацию можно продолжить благодаря тому, что электрически нагревают весь элемент с сотовой структурой (т.е. более не разбивают на отдельные участки) и при определенных условиях увеличивают его осевую длину. Однако именно для нижних диапазонов мощностей при стандартных диаметрах и стандартных длинах конструкции элемента с сотовой структурой существует возможность достижения оптимальных свойств касательно продолжительности нагрева в фазе холодного запуска.

Реферат

Использование: преобразование отработанных газов двигателей. Сущность изобретения: каталитический конвертер с электрическим нагревом содержит расположенные последовательно в направлении потока отдельные участки с различной осевой длиной и различным электрическим сопротивлением. Нагреваемые отдельные участки разделены запертым для электрического тока участком элемента с сотовой структурой. При запуске двигателя холодные выхлопные газы поступают на электронагреваемый участок, подвергаются экзотермическому каталитическому преобразованию на электрически запертом участке. Температура газов падает, но остается выше необходимой для каталитического преобразования (300^oC), а на следующем электронагреваемом участке вновь повышается до 500^oC, после чего в форкатализаторе температура газов понижается до 300^oC. Каталитическое преобразование выхлопных газов происходит по всей длине конвертера с изменением температуры на отдельных участках, но всегда температура выхлопных газов выше необходимой для каталитического преобразования. 20 з.п. ф-лы, 5 ил., 1 табл.

Формула