КАТАЛИЗАТОР ДЛЯ КАТАЛИТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВЫХЛОПНОГО ГАЗА Российский патент 1999 года по МПК F01N3/28 

Изобретение относится к устройствам каталитической очистки выхлопного газа двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Известен катализатор для каталитической обработки выхлопного газа, в частности выхлопного газа ДВС, содержащий ось, корпус и расположенные в нем средства катализатора, причем корпус имеет боковую поверхность, окружающую ось, впускное отверстие, соединенное с внутренним пространством, и выпускное отверстие, причем средства катализатора имеют граничащую с внутренним пространством внутреннюю поверхность, обращенную к боковой поверхности наружную поверхность и проходящие от внутренней поверхности к наружной поверхности прохода, и между боковой поверхностью и наружной поверхностью средств катализатора расположена внешняя полость, и находящийся по меньшей мере частично во внутреннем пространстве ограничительный элемент с ограничительной поверхностью, которая совместно с внутренней поверхностью средств катализатора ограничивает свободную область внутреннего пространства и по меньшей мере в части внутреннего пространства приближается к внутренней поверхности средств катализатора в направлении от впускного отверстия (авторское свидетельство СССР N 393467, кл. F 01 N 3/08, опубл. 1973).

В известном устройстве внутренняя поверхность каталитических средств и ограничительный элемент ограничивает сообща свободную часть (область) внутреннего пространства. По мере увеличения расстояния от впускного отверстия площадь ее сечения резко уменьшается в зоне изогнутой концевой поверхности ограничительного элемента.

У конической поверхности ограничительного элемента названная площадь сечения уменьшается сначала заметно меньше, чем у изогнутой концевой поверхности, а затем снова сильнее. Поскольку площадь сечения части внутреннего пространства неравномерно уменьшается вдоль оси от впускного отверстия и, кроме того, довольно велика на удаленном от впускного отверстия конце внутренней поверхности каталитических средств, скорость течения и плотность потока отработавших газов изменяются вдоль оси. Эта неоднородность распределения течения снижает к.п.д. каталитических средств, увеличивая гидравлическое сопротивление, и к тому же вызывает аксиально неравномерный нагрев, так что каталитические средства должны иметь большие размеры, чем это потребовалось бы при однородном течении выхлопных газов, равномерно распределенном по всей осевой протяженности каталитических средств. Большой объем каталитических средств приводит к высоким производственным расходам и увеличению требуемой площади для всего катализатора. Большой объем каталитических средств и неравномерное вдоль оси распределение температуры увеличивают к тому же при холодном запуске время, пока каталитические средства вдоль всей своей осевой протяженности достигнут рабочей температуры, необходимой для каталитической очистки выхлопных газов.

Задача изобретения - устранение вышеперечисленных недостатков.

Поставленная задача решается тем, что в катализаторе для каталитической обработки выхлопного газа, в частности выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, содержащем ось, корпус и расположенные в нем средств катализатора, причем корпус имеет боковую поверхность, окружающую ось, впускное отверстие, соединенное с внутренним пространством, и выпускное отверстие, причем средства катализатора имеют граничащую с внутренним пространством внутреннюю поверхность, обращенную к боковой поверхности наружную поверхность и проходящие от внутренней поверхности к наружной поверхности проходы, и между боковой поверхностью и наружной поверхностью средств катализатора расположена внешняя полость, и находящийся по меньшей мере частично во внутреннем пространстве ограничительный элемент с ограничительной поверхностью, которая совместно с внутренней поверхностью средств катализатора ограничивает свободную область внутреннего пространства и по меньшей мере в части внутреннего пространства приближается к внутренней поверхности средств катализатора в направлении от впускного отверстия, поверхность поперечного сечения свободной части внутреннего пространства линейно уменьшается вдоль оси в направлении от впуска. Внутренняя поверхность средств катализатора в основном параллельна оси. Ограничительная поверхность наклонена от оси наружу, в основном вдоль всего осевого размера внутренней поверхности средств катализатора в направлении, проходящем от отверстия. Ограничительная поверхность у своего находящегося ближе к впускному отверстию конца ограничительного элемента по меньшей мере в одном осевом сечении выполнена изогнутой и постоянно взаимосвязана с частью ограничительной поверхности, обращенной к внутренней поверхности средств катализатора.

В основном вся ограничительная поверхность в по меньшей мере одном осевом сечении выполнена всегда изогнутой.

Ограничительная поверхность по меньшей мере в одном осевом сечении имеет форму параболы.

Ограничительная поверхность во всех осевых сечениях имеет в основном параболическую форму.

Ограничительная поверхность у противоположного впускному отверстию конца внутренней поверхности средств катализатора касается внутренней поверхности средств катализатора или имеет от этой внутренней поверхности расстояние, которое составляет самое большое 5% максимального размера поперечного сечения внутреннего пространства.

Внутренняя поверхность средств катализатора и свободная часть внутреннего пространства в поперечном сечении, перпендикулярном оси, выполнены кольцеобразным и окружают ограничительный элемент.

Наружная поверхность расположена на расстоянии от внутренней поверхности средств катализатора, и длина средств катализатора, замеренная параллельно оси по меньшей мере в два раза больше, чем расстояние наружной поверхности от внутренней поверхности средств катализатора.

Средства катализатора содержат пакет прилегающих друг к другу листовых элементов, из которых по меньшей мере каждый второй имеет волны (гофры), причем прилегающие друг к другу листовые элементы совместно ограничивают проходы для выхлопного газа, имеют граничащие с ними поверхности, снабженные каталитически активным материалом, и проходы в основном проходят вдоль перпендикулярных относительно оси плоскостей.

Корпус у конечной части боковой поверхности имеет торцевую стенку с центральным отверстием, и впускное отверстие имеет патрубок, который через отверстие торцевой стенки плотно соединен со средствами катализатора.

Боковая поверхность состоит из листовой детали, причем торцевая стенка состоит из листовой детали, и образующая боковую поверхность листовая деталь имеет проходящие от одного конца боковой поверхности до другого соединенные между собой с помощью соединения отбортовкой края и/или с помощью соединения отбортовкой соединена с листовой деталью, образующей торцевую стенку.

Изобретение поясняется фиг. 1 - 6, где показано на фиг. 1 - осевое сечение катализатора; на фиг. 2 - поперечное сечение через катализатор по линии II-II фиг. 1; на фиг. 3 - осевое сечение другого варианта выполнения катализатора; на фиг. 4 - поперечное сечение согласно фиг. 3 по линии IV-IV; на фиг. 5 - сечение катализатора в увеличенном масштабе; на фиг. 6 - сечение другого варианта катализатора в увеличенном масштабе.

Представленный на фиг. 1 и 2 катализатор 1 для каталитической обработки отработавших газов имеет среднюю и/или продольную ось и удлиненный в основном, например, вращательно-симметричный относительно оси 2 корпус 3. Корпус 3 имеет металлические, например из нержавеющей стали, стенки с боковой поверхностью 4, окружающей ось 2, а у концов боковой поверхности - по торцевой стенке 5 или 6.

Боковая поверхность 4 параллельна оси 2, является в основном цилиндрической и в поперечном сечении имеет в основном форму круга. Боковая поверхность 4 состоит, например, из согнутого в цилиндр куска листа с краями, параллельными оси 2, которые отбортованы или завальцованы и с помощью соединения отбортовкой и/или соединения в фальц 7 соединены друг с другом. Находящиеся на обоих концах боковой поверхности 4 ее края соединены отбортовкой или в фальц 8, или 9 с обеими также выполненными из листовых элементов торцевыми стенками. Торцевые стенки имеют в центре выступающей над боковой поверхностью буртик, который ограничивает отверстие 5a или 6a. Корпус имеет впускное отверстие 10 и выпускное отверстие 11 для отработавшего газа. Впускное отверстие 10 и выпускное отверстие 11 коаксиальны оси 2 и состоят каждое из патрубка, который вдается в отверстие 5a или 6a, причем относящийся к впускному отверстию 10 патрубок может несколько входить через отверстие 5a в пространство, окруженное боковой поверхностью 5. Оба патрубка жестко и плотно соединены с торцевой стенкой 5 или 6, а именно сварены с буртиком, ограничивающим отверстие 5а или 6а. Впускное отверстие 10 и выпускное отверстие 11 имеют на своих противолежащих боковой поверхности концах цилиндрический конечный участок 10a или 11a и переходный участок 10b или 11b, конически сужающийся от него в направлении торцевых стенок. Из двух конических переходных участков 10b, 11b по меньшей мере переходный участок 10b, относящийся к впускному отверстию 10, должен образовывать с осью 1 угол, составляющий максимум 20^o, предпочтительно 15^o.

В корпусе расположены средства катализатора 20. Они содержат кольцеобразное или гильзообразное, окружающее среднюю и/или продельную ось 2 соосное с ней тело катализатора 21. Тело катализатора 21 имеет внутреннюю поверхность 21a и наружную поверхность 21b. Обе поверхности 21a и 21b в поперечном сечении, перпендикулярном оси 2, имеют форму круга и параллельны оси 2, а также боковой поверхности 4. Тело катализатора 21 образует таким образом круглый в поперечном сечении полый цилиндр. Как описывается еще более подробно, тело катализатора 21 обладает некоторым числом кольцеобразных, примыкающих друг к другу листовых элементов, на которые нанесен каталитически активный благородный металл и которые вместе ограничивают обозначенные на фиг. 1 цифрой 22 проходы для отработавшего газа. Проходы 22 проходят в основном вдоль перпендикулярных оси 2 плоскостей от внутренней поверхности 21a к наружной поверхности 21b.

Средства катализатора 20 содержат далее крепежные средства 24, которые поддерживают вместе листовые элементы и соединяют образующий тело катализатора 21 пакет листовых элементов с корпусом 3. Крепежные средства 24 имеют, к примеру, металлическую гильзу 25, которая проходит через тело катализатора 21. Гильза 25 имеет внутреннюю поверхность 25a и наружную поверхность 25b и представляет собой цилиндр, так что внутренняя поверхность 25a и наружная поверхность 25b параллельны оси 2. Внутренняя поверхность 25a и наружная поверхность 25b имеют в поперечном сечении форму круга. Внутренний диаметр гильзы 25 приблизительно и предпочтительно такой же величины, как и внутренний диаметр находящегося ближе к торцевой стенке 5 конца впускного отверстия 10, т. е. дальнего конца конического участка впускного отверстия 10b. Наружный диаметр гильзы 25, например, незначительно меньше, чем внутренний диаметр образованного кольцеобразными листовыми элементами тела катализатора 21, так что между ним и гильзой 25 имеется узкий, кольцеобразный в поперечном сечении зазор. Наружный диаметр гильзы 25 может быть, однако, вместо этого быть равным внутреннему диаметру тела катализатора 21, так что плотно и без зазора окружает гильзу 25. Гильза снабжена перфорацией, образованной большим числом радиальных отверстий 25c.

Следует отметить, что фиг. 1 и 2 отчасти представлены не в масштабе и что, в частности, толщина стенок частей корпуса, размеры, замеренные параллельно оси 2, а также расстояния между проходами 22 и размеры и расстояния между отверстиями 25c в действительности, по сравнению с наружными размерами корпуса 3 и тела катализатора 21, намного меньше, чем показано на фиг. 1 и 2. Далее отверстия 25c в действительности рассчитаны и распределены таким образом, что отверстия 25c вдоль оси 2 перекрываются без зазоров. Затем тело катализатора 21 и гильза 25 выполнены таким образом, чтобы при работе катализатора 1 проходящий через отверстия 25a отработавший газ мог устремляться во все проходы. Отработавший газ может при этом отчасти из отверстий 25c попадать в проход 23 в радиальном по отношению к оси 2 направлении. В том случае, если между телом катализатора 21 и гильзой 25 имеется кольцеобразный зазор, то отработавший газ при работе может также распределяться еще и в нем и проходить между расположенными рядом друг с другом отверстиями 25c вдоль внутренней поверхности 21a тела катализатора 21 и наружной поверхности 25b гильзы. Если гильзу 25 считать частью средств катализатора 20, то отверстия 25c гильзы 25 вместе с проходами 22 тела катализатора 21 образуют проходы 22, 25c через все средства катализатора 20.

Гильза состоит из металлического материала, например из нержавеющей стали, и своим обращенным к впускному отверстию концом жестко и плотно соединена с ним. Гильза 25 и патрубок, образующий впускное отверстие 10, могут, например, состоять из первоначально отдельных частей, и у плоскости, проходящей через внутреннюю поверхность торцевой стенки 5 или на некотором расстоянии от нее в пространстве, окруженном боковой поверхностью, жестко и плотно свариваться друг с другом. Впускное отверстие 10 и гильза 25 могли бы также быть изготовленными из монолитного материала. Далее гильза 25 вместо того, чтобы быть непосредственно сваренной с патрубком, образующим впускное отверстие 10, могла бы быть сварена с торцевой стенкой 5 и через нее соединяться с последним патрубком.

Крепежные средства 24 имеют далее поддерживающий элемент 26. Он состоит из плоской металлической пластинки круглой формы, диаметр которой приблизительно равен наружному диаметру тела катализатора 21. Поддерживающий элемент жестко и плотно закреплен на противоположной впускному отверстию 10 стороне гильзы 25, а именно сварен с нею. Тело катализатора 21 расположено между торцевой стенкой 5 и поддерживающим элементом 26 и, например, прилегает непосредственно к торцевой стенке 5 и к поддерживающему элементу 26, так что поддерживающий элемент 26 и торцевая стенка 5 удерживают вместе кольцеобразные листовые элементы тела катализатора 21.

Впускное отверстие 10 окружает в поперечном сечении внутреннее пространство впускного отверстия 31. Средства катализатора 20 и гильза 25 ограничивают и окружают внутреннее пространство средств катализатора или внутреннюю полость 32, которая соединена с внутренним пространством впускного отверстия 31 и со стороны своего противоположного впускному отверстию 10 конца плотно закрыта с помощью поддерживающего элемента 26, который служит также в качестве закрывающего органа. Ограничительный (и/или направляющий) элемент 33 по меньшей мере частично расположен во внутреннем пространстве 32 средств катализатора и обладает ограничительной (и/или направляющей) поверхностью 33a, обращенной по меньшей мере отчасти к внутренней поверхности 25a гильзы 25 и тем самым также к внутренней поверхности 21a тела катализатора 21. По меньшей мере в части внутреннего пространства 32 она приближается к внутренней поверхности 21a и 25a в направлении от впускного отверстия 10. При этом часть ограничительной (и/или направляющей) поверхности 33a, простирающаяся по меньшей мере вдоль 50% осевого, т.е. замеренного параллельно оси 2 размера средств катализатора 20 и внутренней поверхности 21a, а также 25a, и предпочтительно часть ограничительной (и/или направляющей) поверхности 33a, простирающаяся в основном вдоль всего осевого размера средств катализатора 20 и внутренней поверхности 21a, а также 25a в направлении, проходящем от впускного отверстия 10, наклонена от оси 2 наружу к внутренним поверхностям 21a и 25a. Ограничительная (и/или направляющая) поверхность 33a у своего находящегося ближе у впускного отверстия 10 конца 33b ограничительного (и/или направляющего) элемента 33 по меньшей мере в осевом сечении, показанном на фиг. 1, а также во всех других возможных осевых сечениях изогнута и всегда взаимосвязана с участком поверхности 33a, обращенным к внутренним поверхностям 21a и 25a. Далее, в основном вся находящаяся во внутреннем пространстве 32 поверхность 33 по меньшей мере в осевом сечении, показанном на фиг. 1, а также во всех других возможных осевых сечениях выпукло изогнута и в основном имеет примерно параболическую форму. Ограничительный (и/или направляющий) элемент 33 состоит в соответствии с этим из вращательно-симметричного относительно оси 2, по меньшей мере приблизительно, а также в основном имеющего форму параболоида полого тела и своим более толстым, более удаленным от впускного отверстия 10 концом жестко и плотно закреплен на поддерживающем органе 26 и/или на гильзе 25 с помощью, например, сварочного соединения. Конец 33b ограничительного (и/или направляющего) элемента 33, образующий вершину параболоида, находится приблизительно у плоскости, перпендикулярной оси 2, у которой впускное отверстие 10 впадает во внутреннее пространство 32 средств катализатора. Ограничительный (и/или направляющий) элемент 33 ограничивает во внутреннем пространстве вместе с гильзой 25, окружающей последнее, свободную часть внутреннего пространства 32a, кольцеобразную в поперечном сечении. Поверхность поперечного сечения свободной части (области) внутреннего пространства 32 уменьшается вдоль оси 2 в направлении от впускного отверстия 10, а именно линейно с расстоянием от впускного отверстия 10 и до конца 33b ограничительного (и/или направляющего) элемента 33. Далее удаленный от впускного отверстия 10 конец ограничительной (и/или направляющей) поверхности 33a касается внутренней поверхности 25a гильзы 25 или находится от нее под прямым углом или по радиусу к оси 2 на расстоянии, которое составляет максимум 5%, а лучше 3% диаметра внутренней поверхности 25a и внутреннего пространства 33.

Внешняя полость 34 имеет участок, проходящий между боковой поверхностью 4 и наружной поверхностью 21b тела катализатора 21 от торцевой стенки 5 до торцевой стенки 6, и участок, находящийся между торцевой стенкой 6 и поддерживающим элементом 26. Внешнее полое пространство 34 отделено телом катализатора 21, гильзой 25 и поддерживающим элементом 26 от внутреннего пространства впускного отверстия 32 средств катализатора. Внешнее полое пространство 24 соединено с внутренним пространством 35 впускного отверстия, которое заключено в выпускном отверстии 11.

Внутренняя поверхность 25a гильзы 25, окружающая в поперечном сечении внутреннее пространство 32 средств катализатора, образует также внутреннюю поверхность всех средств катализатора 20, и в процессе функционирования она служит в качестве поверхности входа отработавшего газа в средства катализатора 20. Внутренняя поверхность 21a тела катализатора 21 образует, согласно этому, его поверхность поступления отработавшего газа. Наружная поверхность 21b тела катализатора 21 также образует наружную поверхность и поверхность выхода отработавшего газа всех средств катализатора 27.

Длина, т.е. замеренный параллельно оси 2 размер тела катализатора 21, по меньшей мере равна радиальному расстоянию наружной поверхности 21b от внутренней поверхности 21a и предпочтительно по меньшей мере в три раза больше указанного расстояния. Наружный диаметр тела катализатора 21 максимально или приблизительно равен осевому размеру тела катализатора 21. Далее, к примеру, наружный диаметр максимально или приблизительно в три раза больше внутреннего диаметра цилиндрического участка 10a впускного отверстия 10. Максимальный наружный диаметр корпуса 3 предпочтительно максимум в пять раз больше внутреннего диаметра и наружного диаметра цилиндрического участка 10a впускного отверстия 10. Внутренние поверхности 21a и 25a предпочтительно по меньшей мере в 10 раз, а еще лучше в 15 раз больше, чем поверхности поперечного сечения внутреннего пространства цилиндрического участка впускного отверстия 10a.

Показанный на фиг. 3 и 4 катализатор 51 имеет среднюю и/или продольную ось 52 и корпус 53. Корпус имеет боковую поверхность 54 и две торцевые стенки 55, 56. Боковая поверхность 54 и торцевые стенки 55, 56 имеют относительно оси не вращательно-симметричные формы и являются, например, при взгляде в направлении, параллельном оси 2, овальными или подобными овальным. Торцевая стенка 55 имеет центральное отверстие 55a, которое также овальное или подобно овальному. Торцевая стенка 56 имеет центральное отверстие 56a, которое является круглым или также овальным или подобным овальному. Корпус 53 снабжен впускным отверстием 60 и выпускным отверстием 61. Впускное отверстие 60 имеет цилиндрический, круглый в поперечном сечении участок 60a и переходный участок 60b, который простирается от цилиндрического участка 60a в отверстие 55a и в поперечном сечении плотно входит в него. Показанное на фиг. 3 осевое сечение проходит через предельную главную ось овала, определяемого корпусом 53 и отверстием 55a. Переходный участок 60b расширяется в показанном на фиг. 3 осевом разрезе цилиндрического участка 60a в направлении торцевой стенки 55. В проходящем через более короткие главные оси овала, перпендикулярном по отношению к оси сечения фиг. 3 осевом сечении, переходный участок 60b - в зависимости от замеренного в этом осевом сечении размера поперечного сечения отверстия 55a - может быть шире в направлении от цилиндрического участка 60a или уже или быть параллельным оси 52. Выпускное отверстие 61 имеет цилиндрический, круглый в поперечном сечении участок 61a и простирающийся от него в отверстие 56a торцевой стенки 56 переходный участок 61b. Последний, в соответствии с формой отверстия 56a, может быть вращательно-симметричным оси 52 и коническим или у своих концов, находящихся в отверстии 56a, иметь овальную или подобную овальную форму поперечного сечения.

Корпус 53 содержит средства катализатора 70 с телом катализатора 71. Оно имеет внутреннюю поверхность 71a и наружную поверхность 71b. Эти поверхности параллельны оси 52 и в перпендикулярном последней поперечном сечении по меньшей мере приблизительно овальны, а также по меньшей мере приблизительно параллельны боковой поверхности 54. Тело катализатора 71 образует таким образом овальный или подобный овальному в поперечном сечении полый цилиндр. Тело катализатора содержит и ограничивает проходы 72 для отработавшего газа. Средства катализатора 70 содержат далее крепежные средства 74 с овальной или подобной овальной в поперечном сечении гильзой 75, обладающей внутренней поверхностью 75a, наружной поверхностью 75b и отверстиями 75c. Далее имеется относящийся к крепежным средствам 74 поддерживающий элемент 76, который состоит из плоской овальной или подобной овальной пластинки.

Впускное отверстие 60 охватывает в поперечном сечении внутреннее пространство впускного отверстия 81, которое впадает в окружение в поперечном сечении гильзой 75 и средствами катализатора 70 внутреннее пространство средств катализатора или внутреннюю полость 82. В них расположен ограничительный (и/или направляющий) элемент 83, который состоит из закрепленного на поддерживающем элементе 76 и/или на гильзе 75, а именно приваренного полого тела, а снаружи имеет ограничительную (и/или направляющую) поверхность 83a. Противоположная поддерживающему элементу конечная сторона 83b ограничительного (и/или направляющего) элемента 83 расположена примерно у конца внутреннего пространства средств катализатора, находящегося ближе у входного отверстия и, например, выступает еще немного из последнего и переходную часть 60b впускного отверстия 60. Ограничительная (и/или направляющая) поверхность 83a по меньшей мере в большей части внутреннего пространства 82 и предпочтительно в основном во всем внутреннем пространстве 82 в направлении от впускного отверстия 60 наклонена от оси 52 наружу к внутренней поверхности 75a гильзы 75. Большая часть ограничительной (и/или направляющей) поверхности 83a в представленном на фиг. 3 осевом сечении и примерно также во всех других осевых сечениях является прямой. На конце 83b элемента 83 поверхность 83a имеет участок, изогнутый в представленном на фиг. 1 осевом сечении и примерно также во всех других осевых сечениях, который постоянно взаимосвязан с прямым в осевых сечениях участком ограничительной (и/или направляющей) поверхности 83a. Последняя у своего противоположного впускному отверстию конца в направлении взгляда, параллельном оси 52, а также в поперечном сечении является овальной или подобной овальной, по меньшей мере приблизительно параллельна внутренней поверхности 75a гильзы и имеет такие размеры, что она касается внутренней поверхности 75a или имеет от нее расстояние, которое составляет 5%, а лучше максимум 3% максимального диаметра, т.е. максимального, замеренного вдоль более длинной главной оси овала размера поперечного сечения внутреннего пространства 82. Ограничительная (и/или направляющая) поверхность 83a является, например, в поперечном сечении по меньшей мере примерно до конца 83b элемента 83 овальной или подобной овалу и в поперечном сечении по меньшей мере приблизительно параллельна внутренней поверхности 75a. В дополнение к этому следует указать на поперечное сечение, представленное на фиг. 4, проходящая вдоль линии IV-IV фиг. 3 плоскость сечения которого лежит довольно близко к концу 83b.

Ограничительный (и/или направляющий) элемент 83 вместе с внутренней поверхностью 75a гильзы ограничивает кольцеобразную в поперечном сечении свободную область внутреннего пространства 82a. Далее имеются расположенное аналогично внешнему полому пространству 34 катализатора 1 внешнее полое пространство 84 и окруженное в поперечном сечении выпускным отверстием 61 полое пространство выпускного отверстия 85.

Катализатор 51 может быть образован так же или подобно тому, как и катализатор 1.

Части катализатора 51 соответствуют при этом тем или иным частям катализатора 1, которые имеют обозначения на 50 меньше номеров ссылок, служащих для обозначения деталей катализатора 51.

Тело катализатора 21 и тело катализатора 71 может быть образовано согласно фиг. 5, которая показывает вырез из тела катализатора, обозначенного на фиг. 5 номером 91. Тело катализатора 91 содержит пакет кольцеобразных листовых элементов 92 и 93, которые попеременно следуют друг за другом вдоль оси катализатора 1 или 51. Одни, внутренние, края листовых элементов 92, 93 образуют вместе внутреннюю поверхность 21a или 71a тела катализатора 21 или 71. Другие, наружные, края листовых элементов 92, 93 образуют вместе наружные поверхности 21b или 71b тела катализатора 21, или 71, или 91. Каждый листовой элемент 92, 93 имеет некоторое число волн (гофров) 92a, 93a с вершинами волн 92b или 93b. Волны 92a и вершины волн 92b прямые, а также параллельны друг другу и проходят перпендикулярно плоскости чертежа и плоскости сечения фиг. 5. Волны 93a и 93b также прямые и параллельны друг другу, образуют, однако, с волнами 92a и вершинами волн 92b прямой угол и проходят параллельно плоскости чертежа и сечения по фиг. 5. Волны 92a перекрещиваются таким образом с волнами 93a, как это обозначено на фиг. 2 и 4 перекрещивающимися друг с другом сплошными или штриховыми линиями.

В каждом случае два расположенные друг с другом листовых элемента 92, 93 соприкасаются в местах пересечения своими выступающими друг к другу вершинами волн и таким образом у большого числа равномерно распределенных по их поверхности приблизительно точечных мест касания. В остальных, не входящих в эти подобные точки места касания участков поверхности между двумя соседними листовыми элементами имеется свободное промежуточное пространство, которое образует обозначенный номером 94 на фиг. 5 проход тела катализатора.

Показанные на фиг. 1-4 тела катализатора 21 и 71 можно было бы также образовывать или заменять телом катализатора, показанным на фиг. 6 и обозначенным номером 101. Тело катализатора 101 имеет пакет кольцеобразных, попеременно следующих друг за другом листовых элементов 102 и 103, края которых совместно образуют цилиндрические внутренние поверхности и цилиндрические наружные поверхности тела катализатора. Каждый листовой элемент 102 имеет волны 102a с вершинами волн 102b. Листовые элементы 102 образованы, однако, таким образом, что каждая волна 102a проходит от цилиндрической внутренней поверхности тела катализатора 101 к цилиндрической наружной поверхности последнего. Листовые элементы 103 плоские и прилегают к вершинам волн их соседних листовых элементов. Листовой элемент 102 вместе с обоими прилегающими к нему листовыми элементами 103 ограничивает некоторое число проходов 104, которые проходят от внутренней к наружной поверхности тела катализатора и по всей своей длине отделены друг от друга.

Каждый видимый на фиг. 5 и 6 листовой элемент 92, 93, 102, 103 имеет состоящую из нержавеющей стали внутреннюю область или область ядра, поверхность которой снабжена покрытием из окиси алюминия. На это покрытие нанесен каталитически активный материал, который содержит по меньшей мере благородный металл, например платину и/или родий. Замеренная от волны к волне высота волны показанных на фиг. 5 и 6 покрытых листовых элементов 93, 94, 102 составляет предпочтительно максимум 1 мм и, например, приблизительно 0,3-0,7 мм. Длина волны, к примеру, в два-четыре раза больше высоты волны.

Впускное отверстие 10 или 60 катализатора 1 или 51 может быть соединено с выпускным отверстием для отработавшего газа бензинового двигателя внутреннего сгорания автомобиля через части системы выпуска отработавших газов и располагаться под днищем последнего. Корпуса катализаторов 1 и 51 имеют относительно небольшие размеры поперечного сечения, по сравнению с внутренним диаметром цилиндрического участка 10a, а также 60a впускного отверстия 10 или 60 и в сравнении с обрабатываемым в единицу времени количеством отработанного газа, так что им легко найти место.

При работе двигателя и катализатора отработанный газ протекает через катализатор в направлении, обозначенном на фиг. 1 и 3 стрелкой. Отработанный газ проходит таким образом через впускное отверстие 10 или 60 в свободную область внутреннего пространства 32 или 82 средств катализатора. Затем отработанный газ по входной поверхности средств катализатора 20 или 50 для отработанного газа, образованной внутренней поверхностью 25a, 75a гильзы 25 или 75, вначале через боковую поверхность гильзы, а затем по внутренней поверхности 21a или 71a тела катализатора 21 или 71 входит в его проходы 22 или 72. Отработавший газ вслед за этим проходит через тело катализатора, при этом в процессе контакта с поверхностями, ограничивающими проходы 22 и 72, подвергается каталитической обработке. Отработавший газ по наружной поверхности 21b или 71b тела катализатора 21 или 71, служащей в качестве выходной поверхности средств катализатора 20 или 70 отработавшего газа, выходит из него (тела катализатора), проходит через наружное полое пространство 34 или 84 и покидает катализатор через выхлопное отверстие 11 и 61.

Ограничительный (и направляющий) элемент 33 или 83 распределяет поступающий из внутреннего пространства 31 или 81 впускного отверстия во внутреннее пространство 32 или 82 средств катализатора отработавший газ равномерно по всей входной поверхности катализатора 20 или 70 для отработавшего газа при количествах подаваемого в единицу времени отработавшего газа, изменяющихся в широких пределах. Исследования и числовые расчеты показали, что скорость потока и направление потока, находящегося в свободной части внутреннего пространства 32a или 82a вблизи внутренней поверхности средств катализатора 25a или 75a отработавшего газа при постоянном, протекающем через катализатор в единицу времени количестве отработавшего газа по всей внутренней поверхности средств катализатора и, в частности, вдоль всей ее протяженности по оси, постоянны. Соответственно этому также скорость потока и плотность потока по всей внутренней поверхности 21a или 71a тела катализатора 21 или 71 приблизительно постоянны. Аналогичное положение действительно для потока внутри тела катализатора по находящейся в ней параллельной внутренней поверхности 21a или 71a поверхности сечения. Согласно расчетам особенно благоприятно, если поверхность поперечного сечения свободной части (области) внутреннего пространства линейно уменьшается вдоль оси в направлении от впуска, как это имеет место для свободной части внутреннего пространства 32a.

Исследования и числовые расчеты потока показатели далее, что поток при количествах, возникающих в процессе работы, во внутреннем пространстве 31 или 81 впускного отверстия, во внутреннем пространстве 32 или 82 средств катализатора, во внешнем полом пространстве 34 или 83 и во внутреннем пространстве 35 или 85 выпускного отверстия по меньшей мере почти не турбулентный, так что в этих пространствах практически не возникает никаких завихрений и, в частности, никаких больших завихрений. Это способствует вместе с равномерной плотностью потока отработавшего газа в теле катализатора тому, чтобы сопротивление потоку и потери давления поддерживались небольшими.

Выбор небольших величин высоты волны и длины волн 92a, 93a, 102a обеспечивает хороший контакт отработавших газов, проходящих через проходы тела катализатора, с каталитическим активным материалом. Это позволяет сделать проходы относительно короткими и объем тела катализатора относительно небольшим, по сравнению с количеством отработавших газов, отрабатываемых в единицу времени, что способствует экономии материала и места (установки), а также затрат на изготовление тела катализатора.

Выхлопной газ при протекании в катализатор 1 или 51 из впускного отверстия 10 или 60 попадает непосредственно и без контакта с боковой поверхностью и торцевыми стенками корпуса 3 или 53 во внутреннее пространство 32 и 82 средств катализатора. Отработавший газ перед входом в средствах катализатора лишь немного тепла отдает в окружающую среду. При холодном запуске катализатора 1 или 51, - т.е. если он в начале подачи отработавшего газа имеет примерно температуру окружающей среды - горячий отработавший газ нагревает поэтому тело катализатора 21 или 71 достаточно быстро до температуры, необходимой для эффективной каталитической обработки отработавшего газа.

Находящиеся в верхней части потока от средств катализатора 20 и 70 внутренние пространства 31, 32 или 81, 82 катализаторов 1 и 51 полностью газоплотны относительно окружающей среды, так весь подводимый к впускному отверстию 10 или 60 отработавший газ в этом внутреннем пространстве попадает к средствам катализатора и в этих внутренних пространствах имеет такой же состав, как и при выходе из двигателя. Соединение путем отбортовки и/или соединение в фальц 7, 8, 9 катализатора 1 и соответствующие соединения катализатора 51 имеют более низкую стоимость изготовления, чем сварочные соединения, и способствуют снижению затрат на изготовление. Соединения отбортовкой и/или соединения в фальц, возможно, не очень совершены, однако тем не менее являются газоплотными. Так как они примыкают лишь к находящемуся в верхней части потока от средств катализатора 20 или 70 среднему полому пространству 34 или 84, то возможно образующаяся в соединениях отбортовкой и/или в соединениях в фальц небольшая течь не помешает.

Катализаторы можно изменять различным образом. В частности, можно комбинировать признаки обоих катализаторов 1 и 51 друг с другом. Ограничительный (и/или направляющий) элемент 33 может вместо параболоидной формы иметь в основном форму конуса, причем конец 33b можно выполнить острым или скругленным в поперечном сечении. Наоборот, ограничительный (и/или направляющий) элемент 83 по меньшей мере в осевом сечении, проходящем через более длинную, и/или в осевом сечении, проходящем через более короткие главные оси овала и, например, во всех осевых сечениях, может иметь в основном форму параболы.

Затем можно заменить соединения отбортовкой и/или соединения в фальц корпуса сварочными соединениями. Далее можно убрать торцевую стенку 6 или 56 и зато так расширить переходный участок 11b или 61b выпускного отверстия 11 или 61 у его находящегося ближе к боковой поверхности 4 или 54 конца, чтобы он мог непосредственно соединиться с боковой поверхностью 4 или 54. Боковая поверхность 4, 54 может затем к тому же быть настолько укороченной, чтобы она примерно в плоскости, определяемой поддерживающим элементом 26 или 75, соединилась с переходным участком выпускного отверстия. Боковая поверхность и одна торцевая стенка или боковая поверхность и выпускное отверстие могут состоять из монолитного тела.

Поддерживающие элементы 26, 76 могли бы вместо компактной пластины состоять из кольцеобразной шайбы, которая по своему внутреннему краю сварена с ограничительным и/или направляющим элементом 33 или 83. Далее между торцевой стенкой 5 или 55 и телом катализатора 21 или 71 можно расположить еще кольцеобразный теплоизолирующий и/или несколько спружинивающий в осевом направлении промежуточный слой. Вместо этого на гильзе 25 или 75 на небольшом расстоянии от торцевой стенки 5 или 55 можно закрепить кольцо, например приварить, и тело катализатора 21 или 71 разместить между этим кольцом и поддерживающим элементом 26 или 76 так, чтобы между торцевой стенкой 5 или 55 и телом катализатора имелся кольцеобразный, свободный, т.е. во время работы содержащий только отработанный газ зазор, служащий для термоизоляций.

Далее, вместо находящейся внутри тела катализатора 21, 71 гильзы 25, 75 или в дополнение к ней может быть использована перфорированная гильза, окружающая тело катализатора.

Изобретение относится к устройствам каталитической очистки выхлопного газа ДВС. Катализатор имеет ось и корпус с впускным и выпускным отверстиями. Корпус содержит средства катализатора в форме полого цилиндра с внутренней поверхностью, наружной поверхностью и проходящими от внутренней поверхности к наружной поверхности проходами для отработавшего газа. Средства катализатора в перпендикулярном относительно оси поперечном сечении окружают внутреннее пространство, с которым соединено впускное отверстие и которое содержит ограничительный элемент. Элемент имеет ограничительную поверхность, приближающуюся в направлении от впускного отверстия к внутренней поверхности средств катализатора, которые в процессе работы равномерно распределяют входящий во внутреннее пространство средств катализатора выхлопной газ по проходам средств катализатора. Изобретение позволяет повысить эффективность работы катализатора. 12 з.п. ф-лы. 6 ил. <//

1. Катализатор для каталитической обработки выхлопного газа, в частности выхлопного газа двигателя внутреннего сгорания, содержащий ось, корпус и расположенные в нем средства катализатора, причем корпус имеет боковую поверхность, окружающую ось, впускное отверстие, соединенное с внутренним пространством, и выпускное отверстие, причем средства катализатора имеют граничащую с внутренним пространством внутреннюю поверхность, обращенную к боковой поверхности наружную поверхность и проходящие от внутренней поверхности к наружной поверхности проходы, и между боковой поверхностью и наружной поверхностью средств катализатора расположена внешняя полость, и находящийся по меньшей мере частично во внутреннем пространстве ограничительный элемент с ограничительной поверхностью, которая совместно с внутренней поверхностью средств катализатора ограничивает свободную область внутреннего пространства и по меньшей мере в части внутреннего пространства приближается к внутренней поверхности средств катализатора в направлении от впускного отверстия, отличающийся тем, что поверхность поперечного сечения свободной части внутреннего пространства линейно уменьшается вдоль оси в направлении от впуска. 2. Катализатор по п. 1, отличающийся тем, что внутренняя поверхность средств катализатора в основном параллельна оси. 3. Катализатор по п.1 или 2, отличающийся тем, что ограничительная поверхность наклонена от оси наружу, в основном вдоль всего осевого размера внутренней поверхности средств катализатора в направлении, проходящем от отверстия. 4. Катализатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что ограничительная поверхность у своего находящегося ближе к впускному отверстию конца ограничительного элемента по меньшей мере в одном осевом сечении выполнена изогнутой и постоянно взаимосвязана с частью ограничительной поверхности, обращенной к внутренней поверхности средств катализатора. 5. Катализатор по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что в основном вся ограничительная поверхность в по меньшей мере одном осевом сечении выполнена всегда изогнутой. 6. Катализатор по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что ограничительная поверхность по меньшей мере в одном осевом сечении имеет форму параболы. 7. Катализатор по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что ограничительная поверхность во всех осевых сечениях имеет в основном параболическую форму. 8. Катализатор по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что ограничительная поверхность у противоположного впускному отверстию конца внутренней поверхности средств катализатора касается внутренней поверхности средств катализатора или имеет от этой внутренней поверхности расстояние, которое составляет самое большее 5% максимального размера поперечного сечения внутреннего пространства. 9. Катализатор по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что внутренняя поверхность средств катализатора и свободная часть внутреннего пространства в поперечном сечении, перпендикулярном оси, выполнены кольцеобразными и окружают ограничительный элемент. 10. Катализатор по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что наружная поверхность расположена на расстоянии от внутренней поверхности средств катализатора и длина средств катализатора, замеренная параллельно оси по меньшей мере в два раза больше, чем расстояние наружной поверхности от внутренней поверхности средств катализатора. 11. Катализатор по любому из пп.1-10, отличающийся тем, что средства катализатора содержат пакет прилегающих друг к другу листовых элементов, из которых по меньшей мере каждый второй имеет волны (гофры), причем прилегающие друг к другу листовые элементы совместно ограничивают проходы для выхлопного газа и имеют граничащие с ними поверхности, снабженные каталитически активным материалом, и проходы в основном проходят вдоль перпендикулярных относительно оси плоскостей. 12. Катализатор по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что корпус у конечной части боковой поверхности имеет торцевую стенку с центральным отверстием и впускное отверстие имеет патрубок, который через отверстие торцевой стенки плотно соединен со средствами катализатора. 13. Катализатор по п.12, отличающийся тем, что боковая поверхность состоит из листовой детали, причем торцевая стенка состоит из листовой детали, и образующая боковую поверхность листовая деталь имеет проходящие от одного конца боковой поверхности до другого, соединенные между собой с помощью соединения отбортовкой края и/или с помощью соединения отбортовкой соединена с листовой деталью, образующей торцевую стенку.