МЕТАЛЛИЧЕСКИЙ ЭЛЕМЕНТ С СОТОВОЙ СТРУКТУРОЙ, В ЧАСТНОСТИ НЕСУЩИЙ КАРКАС КАТАЛИЗАТОРА Российский патент 1998 года по МПК F01N3/28 

Изобретение относится к металлическому элементу с сотовой структурой, в частности несущему каркасу катализатора для транспортных средств с двигателем внутреннего сгорания со стенками, которые образуют множество каналов, через которые протекает текучая среда, причем элемент с сотовой структурой имеет определенную длину и расположен и удерживается по меньшей мере в одном внутреннем и одном наружном кожухе.

Металлические элементы с сотовой структурой, в частности, служащие несущими каркасами катализатора для систем удаления отработанных газов транспортных средств, известны из уровня техники в большом количестве форм выполнения (заявки EP 02457373 B1, EP 0430945 B1, патент США 4795615). Обычно такие металлические элементы с сотовой структурой изготавливают из слоев структурированных металлических листов, причем имеются спиральные, уложенные в стопку и по-иному уложенные слоями и переплетенные конструктивные формы. В предлагаемом изобретении точной конструктивной форме выполнения элементов с сотовой структурой не уделяется особого внимания, поскольку изобретение применимо для всех конструктивных форм. Изобретение может также применяться для экструдированных из металлического материала элементов с сотовой структурой.

Известен элемент с сотовой структурой (патент JP 4027443), установленный в металлическом кожухе. При этом металлический элемент имеет длину, больше длины элемента с сотовой структурой. Для точного позиционирования элемента с сотовой структурой в металлическом кожухе сначала промежуточная поверхность соединяется с элементом с сотовой структурой, затем элемент с сотовой структурой размещается в металлическом корпусе в заданном месте и затем промежуточная поверхность соединяется с металлическим кожухом в той области, которая выступает за пределы элемента с сотовой структурой.

Известно также (патент США 5173267, являющийся более близким аналогом к предложенному изобретению) закрепление таких элементов с сотовой структурой в системе из двойного кожуха для того, чтобы термически и механически отделить элемент с сотовой структурой от наружного трубчатого кожуха и дать ему возможность свободного продольного удлинения: один конец внутреннего трубчатого кожуха соединен техникой стыкования с одним концом наружного трубчатого кожуха, в то время как другой, далеко вдающийся внутрь наружного трубчатого кожуха конец внутреннего трубчатого кожуха удерживается в плотной посадке. Такое выполнение особенно пригодно для катализаторов большого объема и хорошо используется во многих случаях применения, однако требует определенных затрат касательно технологии изготовления и соблюдения узких допусков для плотной посадки.

Задачей изобретения является создание элемента с сотовой структурой, который расположен и удерживается в системе из по меньшей мере одного внутреннего и одного наружного трубчатого кожуха, который имеет хорошую термическую и механическую развязку между элементом с сотовой структурой и наружным трубчатым кожухом и который несмотря на высокие нагрузки характеризуется высоким сроком службы, а также простотой изготовления.

Для решения этой задачи служит металлический элемент с сотовой структурой, в частности, несущий каркас катализатора для транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, со стенками, которые образуют множество каналов, через которые протекает текучая среда, причем элемент с сотовой структурой имеет определенную длину и расположен и удерживается по меньшей мере во внутреннем и наружном трубчатых кожухах, причем внутренний трубчатый кожух имеет в общей сложности длину большую, чем длина элемента с сотовой структурой, и разделен по меньшей мере на три отдельных участка, а именно на прилегающий снаружи к элементу с сотовой структурой в основном только вдоль отдельной части его длины первый участок, на конусно расширяющийся второй участок и на прилегающий к наружному трубчатому кожуху третий участок. Такая коленчатая форма внутреннего трубчатого кожуха приводит к тому, что элемент с сотовой структурой кроме зоны второго отдельного участка повсюду термически отделен от наружного трубчатого кожуха, так как образующийся воздушный зазор создает хорошую изоляцию. Элемент с сотовой структурой также имеет возможность продольного удлинения во всех направлениях, и на него не влияют механические нагрузки, например изгибающие нагрузки наружного трубчатого кожуха. Конструктивная форма внутреннего трубчатого кожуха относительно длины его отдельных отрезков и относительно угла раствора второго отдельного участка позволяет адаптировать ее ко многим различным условиям, не приводя к особенным затратам на изготовление такого коленчатого трубчатого кожуха.

Внутренний трубчатый кожух может быть, в частности, соединен на первом отдельном участке с элементом с сотовой структурой твердой пайкой, что может осуществляться предпочтительно в зоне его внутреннего периметра, имеющей ширину по меньшей мере 1 см, предпочтительно по меньшей мере 5 мм. Различные термические удлинения элемента с сотовой структурой и внутреннего трубчатого кожуха уменьшаются благодаря тому, что между ними устанавливаются также лишь небольшие напряжения. Это особенно предпочтительно для длинных носителей.

Третий отдельный участок имеет предпочтительно по меньшей мере длину более 10 мм, более предпочтительно более чем одна треть от длины элемента с сотовой структурой. Таким образом, внутренний трубчатый кожух может с точным направлением при монтаже вставляться в наружный трубчатый кожух, и стабильно задается положение элемента с сотовой структурой концентрично внутри наружного трубчатого кожуха.

Второй коленчатый отдельный участок внутреннего трубчатого кожуха предпочтительно выполнять сравнительно коротким, а именно с длиной 2 - 20 мм, предпочтительно 5 - 10 мм. Точная длина и угол раствора этого конического отдельного участка должны в общем случае рассчитываться таким образом, чтобы не могли возникнуть нежелательные колебания системы. Это зависит от возникающих частот колебаний и сил ускорения в месте монтажа.

Предпочтительно первый участок имеет по меньшей мере длину, которая больше, чем одна треть длины элемента с сотовой структурой, предпочтительно составляет примерно половину этой длины.

Особенно рационально, когда внутренний трубчатый кожух имеет в общей сложности большую длину, чем длина элемента с сотовой структурой. В этом случае по меньшей мере один конец внутреннего трубчатого кожуха выступает за конец элемента с сотовой структурой. Предпочтительно первый участок выступает за край элемента с сотовой структурой. Предпочтительно, чтобы выступали даже оба конца внутреннего трубчатого кожуха и, таким образом, защищали от механических повреждений во время транспортировки, а также перед и во время монтажа собственно элемент с сотовой структурой.

Так как внутренний трубчатый кожух не должен выдерживать больших механических нагрузок, то по отношению к наружному трубчатому кожуху он может иметь меньшую толщину стенки, чем последний, предпочтительно может иметь толщину стенки 0,5 - 1 мм.

Для того чтобы при изготовлении и монтаже иметь достаточные допуски и для создания достаточно большого воздушного зазора для термической развязки, целесообразно, чтобы третий отдельный участок имел такой размер внутреннего диаметра, чтобы он (участок) отстоял от металлического элемента с сотовой структурой примерно на 1 - 6 мм, предпочтительно примерно на 3 - 4 мм.

В предпочтительном варианте выполнения изобретения третий отдельный отрезок соединяется с наружным трубчатым кожухом техникой стыкования, предпочтительно сваркой. Для облегчения монтажа третий отдельный участок может иметь кольцевой выступ, который с геометрическим замыканием входит в паз или в прорезь наружного трубчатого кожуха и приварен к нему.

Альтернативное выполнение заключается в том, что внутренний трубчатый кожух может снабжаться примыкающим к третьему отдельному участку четвертым отдельным участком, который отогнут примерно под прямым углом наружу и имеет форму закраины. Такой четвертый отдельный участок может втягиваться во фланцевое соединение наружного трубчатого кожуха со смежным направляющим элементом, за счет чего получается особенно практичное закрепление типа зарядной гильзы элемента с сотовой структурой к внутреннему трубчатому кожуху. При разборке фланцевого соединения можно также снять элемент с сотовой структурой и за счет этого легко заменить.

Предпочтительно по меньшей мере часть не плотно охватываемого внутренним трубчатым кожухом участка элемента с сотовой структурой снабжена вторым внутренним трубчатым кожухом.

На чертежах представлены примеры выполнения изобретения, никоим образом не ограничивающие изобретение.

На фиг. 1 схематически показан продольный разрез элемента с сотовой структурой согласно изобретению с внутренним и наружным трубчатыми кожухами; на фиг. 2 - продольный разрез элемента с сотовой структурой с внутренним и наружным трубчатыми кожухами с двумя альтернативными вариантами выполнения внутреннего трубчатого кожуха для присоединения к наружному трубчатому кожуху.

На фиг.1 показан металлический элемент 1 с сотовой структурой с каналами 9, через которые протекает текучая среда, с одним внутреннем трубчатым кожухом 2а, 2b, 2с, который разделен на три отдельных участка, а именно на прилегающий к элементу 1 с сотовой структурой первый отдельный участок 2а, конусно расширяющийся наружу второй отдельный участок 2b и прилегающий к наружному трубчатому кожуху 3 третий отдельный участок 2с. Первый отдельный участок 2а в показанной заштрихованной полосообразной зоне 5 своего внутреннего периметра спаян твердым припоем с элементом 1 с сотовой структурой, в то время как третий отдельный участок 2с соединен сварочным соединением 4 с наружным трубчатым кожухом 3. За счет особой формы внутреннего трубчатого кожуха 2а, 2b, 2с образуется первый зазор 6 между наружным трубчатым кожухом 3 и первым отдельным участком 2а. Кроме того, образуется зазор 7 между элементом 1 с сотовой структурой и третьим отдельным участком 2с внутреннего трубчатого кожуха 2а, 2b, 2с. Эти зазоры 6, 7 действуют как термоизоляция и поэтому термически развязывают наружный трубчатый кожух 3 и элемент 1 с сотовой структурой. Кроме того, подвеска согласно изобретению способствует также механической развязке наружного трубчатого кожуха 3 и элемента 1 с сотовой структурой, так что при растягивающих, скручивающих или изгибающих нагрузках наружного трубчатого кожуха 3 не возникает дополнительной нагрузки на элемент 1 с сотовой структурой. Из-за разного нагрева не создается также препятствий для термического удлинения элемента 1 с сотовой структурой по отношению к трубчатому кожуху 3. В различных конструктивных формах элемента 1 с сотовой структурой может быть предпочтительно предусмотрен дополнительный внутренний трубчатый кожух 8, охватывающий элемент с сотовой структурой по меньшей мере на одной части участка, с которым не соприкасается первый отрезок 2а внутреннего трубчатого кожуха 2а, 2b, 2с. В сконструированных из отдельных слоев структурированных металлических листов элементах 1 с сотовой структурой можно, таким образом, везде исключить резкое расхождение слоев листов. Элемент 1 с сотовой структурой имеет длину l, а внутренний трубчатый кожух 2а, 2b, 2с имеет общую длину L, причем первый отдельный участок имеет длину L1, второй отдельный участок - длину L2 и третий отдельный участок - длину L3. Так как изобретение применимо предпочтительно для установленных вблизи двигателя пусковых или форкатализаторов, хотя изобретение и не ограничивается этими случаями применения, типовая длина l элемента с сотовой структурой равна примерно 100-150 мм при диаметре 70 - 110 мм. Длина L всего внутреннего трубчатого кожуха 2а, 2b, 2с в основном немного больше, чем длина l элемента 1 с сотовой структурой, так что внутренний трубчатый кожух 2а, 2b, 2с по меньшей мере с одной стороны выступает за элемент 1 с сотовой структурой. Обычно длина L1 может составлять 20 - 60 мм так же, как и длина L3, в то время как длина L2 во избежание колебаний в основном короче, а именно 2 - 20 мм. Ширина зазора 6, 7 обычно составляет 1 - 6 мм, предпочтительно примерно 3 - 4 мм.

На фиг. 2 показаны особые варианты выполнения внутреннего трубчатого кожуха 2а, 2b, 2с для закрепления на наружном трубчатом кожухе 3. Как показано в верхней части фиг.2, третий отдельный участок 2с имеет кольцевой выступ 2d, который может служить для определения положения при монтаже в наружном трубчатом кожухе 3. Две отдельных части наружного трубчатого кожуха 3 могут задвигаться до упора в этот кольцевой выступ 2d и там свариваться с ним, за счет чего образуется легко монтируемое, очень рациональное закрепление.

Другой альтернативный вариант показан в нижней части фиг.2, в которой третий отдельный участок 2с внутреннего трубчатого кожуха 2а, 2b, 2с снабжен еще четвертым, отогнутым примерно под прямым углом отдельным участком 2е в виде закраины, который точно так же может служить упором при монтаже в наружный трубчатый кожух. Эта закраина пригодна, в частности, также для того, чтобы втянуть ее во фланцевое соединение, с которым наружный трубчатый кожух 3 соединен смежным направляющим элементом. Таким образом внутренний трубчатый кожух 2а, 2b, 2с, 2е вместе с элементом с сотовой структурой образует как бы сменную зарядную гильзу, которую без проблем можно заменить при разборке фланцевого соединения наружного трубчатого кожуха 3 с отдельной смежной частью.

Предлагаемое изобретение применимо, в частности, для установленных особенно близко к двигателю пусковых или форкатализаторов двигателей внутреннего сгорания, которые подвержены высоким термическим переменным нагрузкам и в которых наружный трубчатый кожух дополнительно должен воспринимать высокие механические нагрузки. Однако изобретение не ограничивается этими примерами применения, а может использоваться и в других случаях, например, предпочтительно в основных катализаторах.

Изобретение может быть использовано в транспортных средствах с двигателем внутреннего сгорания. Элемент содержит стенки, образующие множество каналов. Через каналы протекает текучая среда. Элемент с сотовой структурой имеет определенную длину, расположен и удерживается по меньшей мере во внутреннем и наружном трубчатых кожухах. Трубчатый кожух имеет в общей сложности длину большую, чем длина элемента с сотовой структурой. Трубчатый кожух разделен по меньшей мере на три отдельных участка. Первый участок прилегает снаружи к элементу с сотовой структурой в основном только вдоль отдельной части его длины и выступает за край элемента. Первый участок имеет по меньшей мере длину, которая больше, чем одна треть элемента с сотовой структурой, предпочтительно составляет примерно половину этой длины и выступает за край элемента с сотовой структурой. Внутренний трубчатый кожух на первом участке соединен твердой пайкой с элементом с сотовой структурой в зоне своего внутреннего периметра. Второй участок конусно расширяется и имеет длину 2-20 мм, предпочтительно 5-10 мм. Третий участок прилегает к наружному трубчатому кожуху, имеет по меньшей мере длину более 10 мм, предпочтительно более, чем одна треть длины элемента с сотовой структурой. Третий участок отстоит от металлического элемента с сотовой структурой примерно на 1-6 мм, предпочтительно примерно на 3-4 мм и соединен техникой стыкования с наружным трубчатым кожухом, предпочтительно сваркой. Третий участок имеет кольцевой выступ, который с геометрическим замыканием входит в паз или в прорезь наружного трубчатого кожуха и приварен к нему. К третьему участку примыкает отогнутый наружу примерно под прямым углом четвертый отдельный участок в форме закраины, который втягивается во фланцевое соединение наружного трубчатого кожуха со смежным направляющим элементом. По меньшей мере часть не плотно охватываемого внутренним трубчатым кожухом участка элемента с сотовой структурой снабжена вторым внутренним трубчатым кожухом. 11 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Металлический элемент с сотовой структурой, в частности несущий каркас катализатора для транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, со стенками, которые образуют множество каналов, через которые протекает текучая среда, причем элемент с сотовой структурой имеет определенную длину и расположен и удерживается по меньшей мере во внутреннем и наружном трубчатых кожухах, отличающийся тем, что внутренний трубчатый кожух имеет в общей сложности длину большую, чем длина элемента с сотовой структурой, и разделен по меньшей мере на три отдельных участка, а именно, на прилегающий снаружи к элементу с сотовой структурой в основном только вдоль отдельной части его длины первый участок, на конусно расширяющийся второй участок и на прилегающий к наружному трубчатому кожуху третий участок. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что внутренний трубчатый кожух на первом участке соединен твердой пайкой с элементом с сотовой структурой, а именно, в зоне своего внутреннего периметра, имеющей ширину по меньшей мере 1 см. 3. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что третий участок имеет по меньшей мере длину более 10 мм, предпочтительно более, чем одна треть длины элемента с сотовой структурой. 4. Элемент по одному из пп.1 - 3, отличающийся тем, что второй участок имеет длину 2 - 20 мм, предпочтительно 5 - 10 мм. 5. Элемент по одному из пп.1 - 4, отличающийся тем, что первый участок имеет по меньшей мере длину, которая больше, чем одна треть длины элемента с сотовой структурой, предпочтительно составляет примерно половину этой длины. 6. Элемент по одному из пп.1 - 5, отличающийся тем, что первый участок выступает за край элемента с сотовой структурой. 7. Элемент по одному из пп.1 - 6, отличающийся тем, что внутренний трубчатый кожух имеет меньшую толщину стенки, чем наружный трубчатый кожух, предпочтительно имеет толщину стенки 0,5 - 1 мм. 8. Элемент по одному из пп.1 - 7, отличающийся тем, что третий участок отстоит от металлического элемента с сотовой структурой примерно на 1 - 6 мм, предпочтительно примерно на 3 - 4 мм. 9. Элемент по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что третий участок соединен техникой стыкования с наружным трубчатым кожухом, предпочтительно сваркой. 10. Элемент по одному из пп.1 - 9, отличающийся тем, что третий участок имеет кольцевой выступ, который с геометрическим замыканием входит в паз или в прорезь наружного трубчатого кожуха и приварен к нему. 11. Элемент по одному из пп.1 - 8, отличающийся тем, что к третьему участку примыкает отогнутый наружу примерно под прямым углом четвертый отдельный участок в форме закраины, который втягивается во фланцевое соединение наружного трубчатого кожуха со смежным направляющим элементом. 12. Элемент по одному из пп.1 - 11, отличающийся тем, что по меньшей мере часть неплотно охватываемого внутренним трубчатым кожухом участка элемента с сотовой структурой снабжена вторым внутренним трубчатым кожухом.