КАТАЛИЗАТОР С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ НАГРЕВОМ Российский патент 1999 года по МПК F01N3/28 

Настоящее изобретение относится к устройству для каталитического превращения отработанных газов в выхлопной системе, в частности в выхлопной системе двигателей внутреннего сгорания, предпочтительно двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, которое соответствует признакам, указанным в ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Из международной заявки WO 92/13636 известен элемент с сотовой структурой, имеющий несколько опирающихся друг на друга шайб. Этот элемент имеет по крайней мере две отстоящие друг от друга на некотором расстоянии шайбы, через которые последовательно проходит отработанный газ. Для соединения шайб между собой вблизи оси устанавливают опоры.

Однако изготовление такого элемента с сотовой структурой оказывается трудоемким, так как положение опор на обеих частях элемента с сотовой структурой должно быть точно установлено заранее. Предварительная установка опор, однако, связана с определенными проблемами, так как относительно трудно изготовить два абсолютно идентичных элемента с сотовой структурой. Это зависит, в частности, от того, что элементы с сотовой структурой состоят из свернутых в рулон металлических листов и при рулонировании невозможно абсолютно точно предсказать точное положение выемок для опор.

Известны далее другие устройства для каталитического превращения отработанного газа в выхлопной системе, состоящие из двух - первого и второго - элементов с сотовой структурой, через которые последовательно проходит текучая среда. Элементы с сотовой структурой механически соединены друг с другом с помощью входящих внутрь элементов с сотовой структурой опорных элементов. С целью по возможности более быстро достичь необходимых для каталитического превращения отработанного газа условий один из элементов с сотовой структурой выполняют с электрическим подогревом. Для этого в элементе с сотовой структурой предусмотрено по крайней мере два соединенных с поверхностью кожуха элемента токораспределителя, каждый из которых соединен с одним токоподводом. Распределители служат для равномерного распределения тока. Элемент с сотовой структурой с электрическим подогревом соединен с трубообразным кожухом промежуточным изоляционным слоем. Трубообразный кожух имеет по крайней мере два выступающих наружу гофра, которые входят в соответствующим образом сформованные желобки на токораспределителях. Эти токораспределители снабжены выступающими наружу штырями, которые электроизолированы от трубообразного кожуха. Штыри служат для присоединения к электропитанию подогреваемого нейтрализатора. Вследствие различных характеристик теплового расширения отдельных компонентов всего устройства места соединения между штырями и оболочками испытывают механическую нагрузку. Для уменьшения этого механического нагружения токораспределители снабжены выступающими наружу гофрами, за счет чего возникающие силы передаются от токораспределителей трубообразному кожуху. Такое устройство описано у P.F. Kuper, W. Maus и др. в SAE Technical Paper Series 940465.

При изготовлении такого устройства соединение опорного элемента с элементом с сотовой структурой осуществляют пайкой. Во время процесса пайки, который осуществляют в соответствующей печи, изоляционный слой выделяет влагу, поскольку этот слой представляет собой вспученный волокнистый материал. Выделение влаги в атмосферу печи для пайки отрицательно влияет на процесс пайки, вследствие чего одновременно в одной печи можно спаивать только очень ограниченное количество устройств.

В основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствовать известное устройство таким образом, чтобы обеспечить более простую его конструкцию и более качественное изготовление.

Эта задача решается согласно отличительным признакам пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения являются предметом зависимых пунктов.

Устройство по изобретению для каталитического превращения отработанных газов в выхлопной системе отличается тем, что в нем предусмотрены дополнительные электроизолирующие крепежные элементы, причем каждый крепежный элемент соединен одним своим концом с поверхностью кожуха элемента с сотовой структурой, имеющего подогрев, а другим своим концом соединен с соседним элементом с сотовой структурой. С помощью этих мер достигается устойчивое в механическом отношении соединение первого элемента с сотовой структурой, имеющего подогрев, со вторым соседним элементом с сотовой структурой. Электроизолирующие соединительные элементы воспринимают обусловленные тепловым расширением силы, так что токоподводы не подвергаются механическим нагрузкам. Другое преимущество этого варианта осуществления заключается в том, что можно отказаться от вспученного волокнистого материала между элементом с сотовой структурой, имеющим электроподогрев, и трубообразным кожухом, вследствие чего процесс пайки можно проводить известным способом. Благодаря настоящему изобретению стало возможным спаивать в вакуумной печи одновременно много устройств и при этом в атмосферу печи для пайки не будет выделяться влага.

Соединительные элементы могут быть припаяны к металлическим листам элемента с сотовой структурой, если этот элемент представляет собой металлический корпус-носитель катализатора.

Предпочтительно, чтобы токораспределители образовывали часть поверхности кожуха. Токораспределители могут представлять собой металлические полоски. Эти металлические полоски могут быть соединены по крайней мере с некоторыми крепежными элементами. Соединение крепежных элементов с токораспределителями может осуществляться пайкой или сваркой.

Определенное преимущество достигается также в том случае, если токораспределители выполнены в форме оболочки. За счет этого достигают эффективного распределения тока по элементу с сотовой структурой. Каждый токораспределитель может иметь контур, соответствующий элементу с сотовой структурой.

Предлагается предусмотреть два отстоящих друг от друга на некотором расстоянии и последовательно расположенных токораспределителя, которые образуют по крайней мере часть поверхности кожуха элемента с сотовой структурой. При такой конструкции каждый крепежный элемент соединен только с одним токораспределителем.

Может оказаться целесообразным снабдить соседний второй элемент с сотовой структурой внутренним трубообразным кожухом и соединить крепежные элементы с этим внутренним кожухом. Соединение внутреннего кожуха с крепежными элементами может быть осуществлено пайкой или сваркой.

Если оба элемента с сотовой структурой соединены друг с другом с помощью крепежных элементов и опорных элементов, то их вставляют в общий трубообразный кожух. Целесообразно выполнить общий трубообразный кожух по крайней мере с одним опоясывающим внутренним гофром таким образом, чтобы внутренний гофр прилегал к внутреннему кожуху соседнего элемента с сотовой структурой. Этот внутренний гофр в таком устройстве, в котором внутренний диаметр общего трубообразного кожуха постоянен и равен внешнему диаметру элемента с сотовой структурой, препятствует протеканию части потока отработанного газа через устройство без очистки.

Внутренний гофр предпочтительно выполнять таким образом, чтобы соединение элемента с сотовой структурой с общим трубообразным кожухом осуществлялось с силовым замыканием.

Вместо или в дополнение к соединению с силовым замыканием общего трубообразного кожуха с элементом с сотовой структурой последний в зоне внутреннего гофра может быть припаян или приварен к общему трубообразному кожуху. При соединении пайкой общий трубообразный кожух элемента с сотовой структурой по крайней мере на некотором его участке может быть покрыт слоем припоя.

Внутренний гофр на общем трубообразном кожухе может быть образован перед установкой элемента с сотовой структурой в этот общий кожух. Внутренний гофр целесообразно выполнять только в том случае, когда элементы с сотовой структурой размещают в общем трубообразном кожухе. За счет этого облегчается совмещение токоподводов с токораспределителями, так как элементы с сотовой структурой имеют свободу перемещения не только в осевом, но и в радиальном направлении.

Внутренний гофр может быть изготовлен накаткой или радиально-ковочной вытяжкой, в частности ротационной ковкой. Для минимизации относительных растяжений необходимо, чтобы он проходил вблизи торцевой стороны второго элемента с сотовой структурой, обращенной к первому элементу.

Для электрической развязки элемента с сотовой структурой, имеющего электроподогрев, и соседнего второго элемента с сотовой структурой каждый крепежный и/или опорный элемент имеет первую и отстоящую от нее вторую гильзы, охватывающие соответствующие концевые участки штырей. Между гильзами и штырем предусмотрен изоляционный слой. Преимущество такой конструкции состоит в том, что в ней реализована двойная изоляция. Электрическому пробою между штырем и элементом с сотовой структурой дополнительно может препятствовать изоляционный слой, установленный на торцевой поверхности штыря.

Другие преимущества и отличительные признаки более подробно представлены ниже на примере предпочтительного варианта выполнения изобретения. При этом на соответствующих чертежах изображено:
на фиг. 1 - схематическое изображение продольного сечения устройства для каталитического превращения отработанных газов,
на фиг. 2 - вид слева на устройство в сечении II-II и
на фиг. 3 - соединительный элемент в разрезе.

На фиг. 1 показан предпочтительный вариант выполнения устройства для каталитического превращения отработанных газов в выхлопной системе. Устройство включает два последовательно установленных в общем трубообразном кожухе 1 элемента 2, 3 с сотовой структурой, через которые проходит отработанный газ G. Первый элемент 2 с сотовой структурой размещен в общем трубообразном кожухе 1 с некоторым зазором и снабжен электроподогревом. Внешняя поверхность кожуха первого элемента 2 с сотовой структурой образована двумя токораспределителями 4, 5, имеющими форму оболочки. Токораспределители 4, 5 соединены соответственно с токоподводами 6, 7. Токоподводы 6, 7 выступают наружу через отверстия 8, 9, предусмотренные в общем трубообразном кожухе 1. Токоподводящие части 6, 7 проходят через соединительные элементы 10, 11, которые приварены к общему кожуху 1. Соединительный элемент 11 имеет изоляционный слой 13, поэтому токоподводы 6, 7 электроизолированы от общего трубообразного кожуха 1.

Два элемента 2, 3 соединены друг с другом посредством входящих внутрь элементов с сотовой структурой крепежных элементов 12. Для наглядности в качестве примера изображены только три из большого количества возможных крепежных элементов.

Элемент 3 с сотовой структурой имеет внутренний трубообразный кожух 14. Токораспределители 4, соответственно 5 соединены с внутренним кожухом 14 элемента 3 с сотовой структурой с помощью дополнительного крепежного элемента 15.

В общем трубообразном кожухе 1 выполнены два опоясывающих внутренних гофра 16. Внутренние гофры 16 выполнены таким образом, что они соприкасаются с внутренним кожухом 14 элемента 3 с сотовой структурой. На соприкасающихся поверхностях между гофрами 16 и внутренним кожухом 14 может быть предусмотрено соединение из определенного материала.

Внутренние гофры 16 предпочтительно выполнять вблизи элемента 2 с сотовой структурой, имеющего электроподогрев, что позволяет избежать слишком большого относительного расширения.

На фиг. 3 показано продольное сечение крепежного элемента 15.

Крепежный элемент 15 имеет первую гильзу 17 и отстоящую от нее вторую гильзу 18, каждая из которых охватывает соответствующие концевые участки штыря 19. Между гильзой 17, соответственно 18 и штырем 19 имеется изоляционный слой 20, соответственно 21, за счет чего сам штырь 19 не имеет потенциала даже в том случае, когда гильзы 17, 18 находятся под напряжением. Электрическая прочность на пробой опорных элементов удваивается по сравнению с таковой для сквозных гильз. Крепежные элементы и опорные элементы могут быть выполнены одинаковыми. Благодаря этому достигают уменьшения количества различных деталей при изготовлении устройства. Электрическое разъединение элементов с сотовой структурой между собой улучшается при использовании одинаковых крепежных элементов и опорных элементов.

На фиг. 3 изображена возможная конструкция опорного элемента. Как видно на фиг. 3, на торцевую поверхность штыря 19 можно дополнительно нанести электроизоляционный слой 22. Вместо нанесения электроизоляционного слоя только на торцевую поверхность одного штыря такой слой можно нанести на всю торцевую поверхность узла. Для этого, например, крепежные элементы и опорные элементы погружают их торцевыми поверхностями в массу, которая обладает электроизоляционными свойствами и которая после высыхания и при повышенных температурах остается на торцевых поверхностях.

Однако двойную электроизоляцию можно не применять, если конструкция соединительного элемента или электроизоляционные характеристики элемента 3 с сотовой структурой таковы, что можно не опасаться короткого замыкания.

Устройство для каталитического превращения отработанных газов изготавливают следующим образом. Сначала соединяют между собой в единый конструктивный элемент оба элемента 2, 3 с сотовой структурой с помощью опорных элементов 12 и крепежных элементов 15. Затем конструктивный элемент вставляют в общий трубообразный кожух 1 и подсоединяют, в частности при помощи сварки, токоподводы 7 и 6 к токораспределителям 4, 5. Одновременно при помощи сварки соединительные элементы 10, 11 закрепляют на общем трубообразном кожухе 1. Затем изготавливают внутренние гофры 16 на общем кожухе 1.

Подготовленное таким образом устройство может быть помещено в вакуумную печь для пайки, в которой общий трубообразный кожух 1 соединяют с внутренним трубообразным кожухом 14. Для этого на внутренний кожух 14 на стадии подготовки наносят слой припоя. По завершении процесса пайки устройство можно подавать на окончательную обработку.

Изобретение относится к устройствам для каталитического превращения отработанных газов в выхлопной системе, в частности в выхлопной системе ДВС, предпочтительно ДВС с искровым зажиганием. Устройство имеет по крайней мере два элемента с сотовой структурой, которые расположены в одном общем трубообразном кожухе и через которые последовательно проходит отработанный газ, причем соседние элементы с сотовой структурой механически соединены друг с другом опорными элементами, входящими внутрь элементов с сотовой структурой. Первый элемент с сотовой структурой установлен во внешнем трубообразном кожухе с некоторым зазором и имеет по крайней мере две оболочки, образующие поверхность кожуха первого элемента, и соединены соответственно с токоподводами. Устройство имеет электроизолированные соединительные элементы, каждый из которых соединен одним своим концом с соответствующей оболочкой, а другим своим концом соединен с соседним элементом с сотовой структурой. Общий трубообразный кожух имеет по крайней мере один опоясывающий гофр, который прилегает к трубообразному кожуху второго элемента с сотовой структурой. Устройство имеет простую конструкцию. 14 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для каталитического превращения отработанных газов в выхлопной системе, в частности в выхлопной системе двигателей внутреннего сгорания, предпочтительно двигателей внутреннего сгорания с искровым зажиганием, которое имеет по крайней мере один первый и один второй элемент (2; 3) с сотовой структурой, которые последовательно расположены в одном общем трубообразном кожухе (1) и через которые проходит отработанный газ, причем по крайней мере первый элемент (2) с сотовой структурой, имеющий электроподогрев и имеющий по крайней мере один токораспределитель (4; 5), установлен во внешнем трубообразном кожухе (1) с некоторым зазором, а соседние элементы с сотовой структурой (2; 3) механически соединены друг с другом опорными элементами (12), входящими внутрь элементов (2; 3) с сотовой структурой, отличающееся наличием дополнительных электроизолированных крепежных элементов (15), причем каждый крепежный элемент (15) соединен одним своим концевым участком с поверхностью кожуха первого элемента (2) с сотовой структурой, имеющего подогрев, а своим вторым концом соединен с соседним вторым элементом (3) с сотовой структурой. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что токораспределитель (4; 5) образует часть поверхности кожуха первого элемента (2) с сотовой структурой, а по крайней мере некоторые крепежные элементы (15) соединены с токораспределителем (4; 5). 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что токораспределитель (4; 5) имеет форму оболочки. 4. Устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что два отстоящих друг от друга на некотором расстоянии и последовательно расположенных токораспределителя (4; 5) образуют по крайней мере часть поверхности кожуха первого элемента (2) с сотовой структурой, а каждый крепежный элемент (15) соединен только с одним токораспределителем (4; 5). 5. Устройство по одному или нескольким пп.1 - 4, отличающееся тем, что каждый крепежный элемент (15) соединен с внутренним трубообразным кожухом (14) второго элемента (3) с сотовой структурой. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что общий трубообразный кожух (1) имеет по крайней мере один опоясывающий внутренний гофр (16), который прилегает к внутреннему трубообразному кожуха (14) второго элемента (3) с сотовой структурой. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что внутренний гофр (16) изготавливают накаткой. 8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что внутренний гофр (16) изготавливают радиально-ковочной вытяжкой. 9. Устройство по п.6, отличающееся тем, что внутренний трубообразный кожух (14) второго элемента (3) с сотовой структурой в зоне внутреннего гофра (16) соединен с общим трубообразным кожухом (1). 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что внутренний трубообразный кожух (14) второго элемента с сотовой структурой в зоне внутреннего гофра (16) соединен с общим трубообразным кожухом (1) с силовым замыканием. 11. Устройство по п.9, отличающееся тем, что внутренний трубообразный кожух (14) второго элемента (3) с сотовой структурой в зоне внутреннего гофра (16) соединен с общим трубообразным кожухом (1) пайкой. 12. Устройство по п.9, отличающееся тем, что трубообразный кожух (14) второго элемента (3) с сотовой структурой в зоне внутреннего гофра (16) соединен с общим трубообразным кожухом (1) сваркой. 13. Устройство по одному из пп.1 - 12, отличающееся тем, что каждый опорный и/или крепежный элемент (12; 15) содержит штырь (19) и первую (17) и вторую (18) гильзы, охватывающие соответствующие концевые участки штыря (19), причем между гильзами (17; 18) и штырем (19) предусмотрен изоляционный слой (20; 21). 14. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что на каждую торцевую поверхность штыря (19) нанесен электроизолирующий слой. 15. Устройство по п. 13, отличающееся тем, что на каждую торцевую поверхность каждого опорного и/или крепежного элемента (12; 15) нанесен электроизолирующий слой.