СОТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ ПРЕИМУЩЕСТВЕННО ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В СИСТЕМЕ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 2006 года по МПК F01N3/28 

Настоящее изобретение относится к сотовому элементу, прежде всего для применения в системе выпуска отработавших газов (ОГ) двигателя внутреннего сгорания (ДВС), имеющему кожух, по меньшей мере один ограничитель сжатия и металлическую матрицу со средним исходным диаметром, соединенную с кожухом сотового элемента указанным по меньшей мере одним ограничителем сжатия. Подобные сотовые элементы используются главным образом в качестве носителей каталитических нейтрализаторов ОГ дизельных двигателей или ДВС с принудительным воспламенением рабочей смеси.

Металлические сотовые элементы, как известно, подвергаются в системах выпуска ОГ ДВС воздействию высоких знакопеременных тепловых нагрузок. Вследствие подобных тепловых нагрузок и обычно неодинаковых характеристик кожуха сотового элемента и его матрицы (каркаса) касательно их удельной поверхностной теплоемкости кожух и матрица обладают различными характеристиками расширения. Обусловленное этим фактором перемещение матрицы относительно кожуха сотового элемента в радиальном и осевом направлениях привело к разработке множества ставших уже хорошо известными концепций по обеспечению долговечного соединения матрицы с кожухом сотового элемента.

Один из известных возможных способов соединения матрицы с кожухом сотового элемента описан, например, в патенте US 5079210. Заявленное в этом патенте техническое решение относится к металлическому сотовому элементу, состоящему из слоев гофрированных и гладких металлических листов, соединяемых с его кожухом через промежуточную манжету. При этом в таком соединении металлических листов с кожухом сотового элемента промежуточная манжета одним из ее торцовых участков соединена с металлическими листами, а на противоположном торцовом участке соединена с кожухом сотового элемента. Промежуточная манжета имеет множество гибких отдельных участков, благодаря которым она может сжиматься, соответственно растягиваться вместе с металлической матрицей, образованной указанными выше металлическими листами. Эти гибкие отдельные участки промежуточной манжеты разделены прорезями, ориентированными в осевом направлении, что позволяет также компенсировать сжатие, соответственно растяжение матрицы и в окружном направлении. Помимо этого матрица дополнительно имеет возможность свободного расширения, соответственно сжатия в осевом направлении. Тем самым за счет упругой деформации промежуточной манжеты удается скомпенсировать различия в характеристиках теплового расширения кожуха сотового элемента и матрицы и благодаря этому избежать возникновения в кожухе сотового элемента механических напряжений, обусловленных сжатием/расширением матрицы под воздействием тепловых нагрузок.

Однако проведенные испытания показали, что известные металлические сотовые элементы из-за различий в скорости охлаждения расположенных ближе к краям частей и центральных частей матрицы после многократно повторяющейся знакопеременной тепловой нагрузки уже не принимают свою исходную, прежде всего цилиндрическую форму, а уменьшаются в объеме и приобретают бочковидную форму. В качестве примера обусловленных подобным изменением формы матрицы негативных последствий можно назвать образование между матрицей и кожухом сотового элемента сравнительно широкого кольцевого зазора, через который прежде всего в процессе работы сотового элемента в системе выпуска ОГ ДВС проходят не подвергающиеся нейтрализации ОГ, что, следовательно, не позволяет обеспечить эффективную их нейтрализацию согласно законодательно установленным нормам на токсичность ОГ.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача разработать такой сотовый элемент, прежде всего для применения в системе выпуска ОГ ДВС, который даже после многократного воздействия на него знакопеременных тепловых нагрузок обеспечивал бы эффективное превращение содержащихся в ОГ вредных веществ в безвредные вещества. Помимо этого такой сотовый элемент должен обладать значительно более длительным сроком службы, обеспечиваемым прежде всего за счет долговечного соединения матрицы с кожухом сотового элемента.

Предлагаемый в изобретении сотовый элемент отличается тем, что при воздействии на матрицу тепловой нагрузки и/или после исчезновения воздействующей на матрицу тепловой нагрузки средний исходный диаметр матрицы уменьшается максимум на 5%, предпочтительно максимум на 2%, за счет создания по меньшей мере одним ограничителем сжатия направленного наружу растягивающего напряжения по меньшей мере в части матрицы, причем ограничитель сжатия имеет коэффициент теплового расширения, отличный от коэффициента теплового расширения матрицы, и/или имеет удельную поверхностную теплоемкость, отличную от удельной поверхностной теплоемкости матрицы. Под средним наружным диаметром в контексте настоящего изобретения подразумевается по меньшей мере усредненная в окружном направлении или по периметру матрицы величина.

Ограничителем сжатия в контексте настоящего изобретения называется деталь сотового элемента, которая создает механическое напряжение по меньшей мере в некоторой части матрицы, когда она стремится сжаться под действием знакопеременных тепловых нагрузок. Очевидно, однако, что такой ограничитель сжатия допускает также растяжение и/или сжатие матрицы в определенных пределах и в соответствии с этим не "сковывает" ее в той же степени, что и кожух, который по сравнению с матрицей в основном обладает большей жесткостью, соответственно значительно большей инерционностью с точки зрения характеристик теплового расширения. Так, например, ограничитель сжатия в одном из возможных вариантов его выполнения способен по сравнению с кожухом сотового элемента воспринимать лишь некоторую заданную часть от всех возникающих в радиальном направлении механических напряжений и только по достижении предельного для него механического напряжения начинает расширяться, соответственно сжиматься вместе с кожухом сотового элемента. На долю такой части от всех радиальных механических напряжений предпочтительно приходится от 20 до 80%, прежде всего от 35 до 70%. Вместе с тем характеристики теплового расширения ограничителя сжатия можно, как очевидно, задать и с таким расчетом, чтобы его сжатие/расширение начиналось со смещением во времени относительно момента, в который начинается сжатие/расширение матрицы, соответственно начиналось при температуре, отличной от температуры, при которой начинается сжатие/расширение матрицы. Сказанное, например, означает, что ограничитель сжатия по сравнению с матрицей начинает деформироваться лишь в интервале более высоких температур, а по сравнению с кожухом - уже в интервале более низких температур. В этом случае определенное значение имеет также удельная поверхностная теплоемкость, в связи с чем при определенных условиях может оказаться предпочтительным, чтобы величина удельной поверхностной теплоемкости ограничителя сжатия лежала в интервале, занимающем промежуточное положение между величинами удельной поверхностной теплоемкости матрицы и кожуха сотового элемента. Наличие у ограничителя сжатия подобных характеристик теплового расширения, отличных от характеристик теплового расширения матрицы и кожуха сотового элемента, с одной стороны, положительно сказывается описанным выше образом на характеристиках теплового расширения/сжатия матрицы, прежде всего замедляет эти процессы, а с другой стороны, одновременно позволяет избежать слишком жесткой механической связи между матрицей и окружающим ее кожухом сотового элемента.

В отношении положения плоскости, в которой измеряется наружный диаметр матрицы, вдоль осевой ее протяженности следует отметить, что средний наружный диаметр матрицы следует определять прежде всего вблизи того ее участка, на котором к ней прикладывается усилие, создающее в ней растягивающее напряжение. Предусмотренный у предлагаемого в изобретении сотового элемента по меньшей мере один ограничитель сжатия можно выполнить, например, в виде отдельной детали, размещаемой на том участке, соответственно вокруг того участка матрицы, на котором к матрице должно прикладываться усилие, создающее в ней растягивающее напряжение. В результате изменение размеров матрицы при воздействии на нее тепловой нагрузки удается ограничить лишь исключительно малыми пределами и одновременно с этим разгрузить прежде всего соединительные средства, которые служат для фиксации матрицы в кожухе сотового элемента. Так, например, при расположении этих соединительных средств сравнительно близко по меньшей мере к одному ограничителю сжатия, прежде всего на удалении от него в пределах от 1 до 10 мм, положение матрицы несмотря на воздействие на нее тепловой нагрузки остается практически неизменным относительно кожуха сотового элемента. При таком конструктивном исполнении сотового элемента соединительные средства можно выполнить сравнительно жесткими.

Вместе с тем при определенных условиях может также оказаться целесообразным использовать конструкцию, в которой по меньшей мере один ограничитель сжатия сам является частью соединения матрицы с кожухом сотового элемента. В отличие от известных гибких соединительных элементов, соединяющих между собой матрицу и кожух сотового элемента и обеспечивающих беспрепятственное перемещение матрицы относительно кожуха сотового элемента, согласно изобретению предлагается целенаправленно влиять на характеристики сжатия матрицы таким образом, чтобы внешняя форма сотового элемента, прежде всего матрицы, оставалась практически неизменной после множества циклов воздействия на него, соответственно на нее знакопеременных тепловых нагрузок. При этом ограничение максимально допустимого уменьшения среднего исходного диаметра матрицы величиной, составляющей максимум 5%, с одной стороны, позволяет учесть различия в характеристиках теплового расширения матрицы и кожуха сотового элемента, а с другой стороны, благодаря по меньшей мере одному предусмотренному ограничителю сжатия обеспечивает максимально полное "развертывание" матрицы по типу свернутого в рулон листа бумаги, чтобы матрица могла практически полностью заполнить собой все поперечное сечение кожуха сотового элемента. В результате полости в матрице оказываются широко раскрытыми, благодаря чему происходит лишь незначительное падение давления в проходящем через сотовый элемент потоке газа.

В соответствии со следующим вариантом выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента по меньшей мере один предусмотренный у него ограничитель сжатия его торцовым участком соединен с матрицей с образованием места их соединения и его концевым участком соединен с кожухом сотового элемента с образованием места его крепления к этому кожуху сотового элемента. Подобное соединение матрицы с кожухом сотового элемента обеспечивает прежде всего возможность ее свободного осевого расширения, соответственно сжатия. При этом место соединения ограничителя сжатия с матрицей предпочтительно выполнять круговым в окружном направлении матрицы, что обеспечивает максимально равномерное приложение к матрице усилий, создающих в ней растягивающее напряжение. Благодаря этому удается избежать возникновения в матрице пиков механического напряжения, которые могли бы привести к нарушению ее структурной целостности.

При наличии у по меньшей мере одного ограничителя сжатия и у матрицы общего места их соединения и при наличии у матрицы неразъемно соединенных между собой стенок растягивающее напряжение, создаваемое в матрице через указанное место ее соединения с ограничителем сжатия, соответствует согласно еще одному варианту выполнения сотового элемента максимум средней прочности неразъемного соединения стенок между собой и/или средней прочности самих стенок. Под средней прочностью при этом подразумевается усредненное значение прочности по отдельных точкам соединения между собой соседних стенок матрицы, соответственно величина прочности при растяжении материала самих стенок.

Ограничение создаваемого в матрице ограничителями сжатия растягивающего напряжения гарантированно исключает разрушение не только неразъемных соединений стенок между собой, но и самих стенок. Поскольку создаваемое в матрице растягивающее напряжение направлено прежде всего наружу, соответственно радиально наружу, важное значение при этом приобретает также обеспечение соответствующей прочности соединения стенок между собой, соответственно прочности самих стенок в этом направлении. При расчете конструктивных параметров по меньшей мере одного ограничителя сжатия следует также учитывать тот факт, что средние значения прочности неразъемных соединений стенок между собой, соответственно прочности самих стенок зависят от температуры, и поэтому даже при обусловленном тепловой нагрузкой снижении средних значений прочности неразъемных соединений стенок между собой, соответственно прочности самих стенок соответствующее минимальное значение прочности (соединения стенок между собой, соответственно самих стенок) должно быть больше создаваемого в матрице растягивающего напряжения.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента создаваемое в матрице по меньшей мере одним ограничителем сжатия растягивающее напряжение должно быть эффективно в интервале температур от -40 до 1050°С. В этот интервал температур попадают значения температуры, при которых на практике работает подобный сотовый элемент. Согласно этому варианту, таким образом, постоянно обеспечивается создание в матрице растягивающего напряжения и тем самым ограничение степени ее сжатия. Наряду со сжатием сотового элемента в интервале очень низких температур, главным образом при температурах ниже 0°С и прежде всего при температурах ниже -20°С, важное значение в этом отношении имеет также интервал температур от 600 до 1050°С. Этот интервал температур имеет важное значение с точки зрения характеристик сжатия, соответственно расширения металлической матрицы после исчезновения воздействующей на нее, соответственно при воздействии на нее тепловой нагрузки, создаваемой горячими ОГ. В этом интервале температур и прежде всего при высокой скорости изменения температуры, как это имеет место, например, в период пуска холодного двигателя или непосредственно после выключения ДВС, проявляются наибольшие различия в характеристиках теплового расширения матрицы и кожуха сотового элемента, в связи с чем именно в этом интервале температур необходимо препятствовать сжатию сотового элемента. С учетом этого матрицу, по меньшей мере один ограничитель сжатия и кожух сотового элемента можно по меньшей мере на отдельных участках расположить относительно друг друга таким образом, чтобы матрица непосредственно прилегала к кожуху сотового элемента по меньшей мере через один ограничитель сжатия и чтобы при этом кожух сотового элемента при температурах ниже 600°С создавал в матрице частично значительно меньшее растягивающее напряжение или даже сжимающее напряжение.

Согласно еще одному варианту выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента место соединения ограничителя сжатия с матрицей целесообразно располагать вблизи одного из торцов сотового элемента, предпочтительно в пределах отрезка, протяженность которого, отсчитываемая от этого торца сотового элемента в направлении оси, составляет менее 20 мм, предпочтительно даже менее 10 мм. При использовании подобного сотового элемента, например, в системе выпуска ОГ ДВС исключительно высокие знакопеременные тепловые нагрузки возникают именно в зоне входной для газа стороны сотового элемента и его выходной для газа стороны, т.е. в зоне его торцов. Поскольку, кроме того, в потоке ОГ имеют место значительные колебания давления, именно расположенная вблизи входной для газа стороны часть матрицы подвергается также воздействию высоких динамических нагрузок. Поэтому размещение места соединения ограничителя сжатия с матрицей вблизи входной для газа стороны сотового элемента обеспечивает помимо прочего и сохранение структурной целостности матрицы в этой зоне. Помимо этого входную для газа сторону и/или выходную для газа сторону сотового элемента при необходимости можно также рассматривать в качестве своего рода фиксированной точки отсчета, привязанной к сотовому элементу в системе выпуска ОГ, поскольку при наличии подобного соединения в результате расширения, соответственно сжатия сотового элемента в осевом направлении происходит в основном только относительное перемещение его входной для газа стороны и/или его выходной для газа стороны.

Согласно еще одному варианту выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента по меньшей мере один ограничитель сжатия выполнен таким образом, что он уплотняет окружающий матрицу кольцевой зазор. Тем самым, например, исключается возможность прохождения некоторой части подвергаемых нейтрализации ОГ в обход матрицы и обеспечивается направление всего потока ОГ в матрицу и каталитическое превращение содержащихся в ОГ вредных веществ при их прохождении через нее в безвредные вещества.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента в его осевом направлении последовательно расположено несколько ограничителей сжатия, при этом предпочтительным является их расположение со смещением относительно друг друга в окружном направлении матрицы. Несколько таких ограничителей сжатия прежде всего для возможности свободного осевого сжатия, соответственно растяжения матрицы выполнены гибкими в направлении продольной оси сотового элемента. Подобную конструкцию сотового элемента целесообразно использовать прежде всего в том случае, когда отношение осевой длины матрицы к ее исходному диаметру превышает два. У сотовых элементов подобного сигарообразного исполнения с целью обеспечить долговечное соединение матрицы с кожухом последовательно располагают несколько ограничителей сжатия, которые ограничивают расширение, соответственно сжатие матрицы в радиальном направлении, но не препятствуют ее расширению, соответственно сжатию в осевом направлении.

Согласно еще одному варианту выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента по меньшей мере один ограничитель сжатия и матрицу целесообразно выполнять из различных материалов. Предпочтительно при этом выполнять по меньшей мере один ограничитель сжатия и матрицу из материалов с различными коэффициентами теплового расширения. Соблюдение этого условия имеет важное значение помимо прочего по той причине, что максимальная величина создаваемого в матрице растягивающего напряжения в значительной степени зависит от температуры, и поэтому правильный подбор материалов для изготовления по меньшей мере одного ограничителя сжатия и матрицы, соответственно коэффициентов их теплового расширения, позволяет создавать в матрице в различных интервалах температур заданное, прежде всего варьирующееся в зависимости от температуры растягивающее напряжение.

В соответствии со следующим вариантом выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента матрица термически изолирована относительно кожуха сотового элемента. Преимущество этого варианта состоит в возможности предотвратить теплообмен между матрицей и кожухом сотового элемента и благодаря этому исключить действие ограничителей сжатия в качестве источников тепла, соответственно теплоотводов, влияющих на характеристики теплового расширения матрицы и кожуха сотового элемента.

Согласно следующему варианту выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента имеющиеся у матрицы стенки образованы по меньшей мере частично структурированными или профилированными листами фольги, которые в набранном в пакет и/или свернутом в рулон виде образуют проточные для газа каналы. Листы фольги предпочтительно свертывать или скручивать в рулон прежде всего по спирали, S-образно или по эвольвенте. Для изготовления матрицы предпочтительно при этом использовать листы фольги толщиной менее 0,06 мм, прежде всего даже менее 0,03 мм. Наиболее предпочтительно, чтобы плотность расположения каналов по поперечному сечению матрицы составляла более 600, прежде всего более 1000 каналов на 1 кв.дюйм. У подобного сотового элемента при его использовании в системе выпуска ОГ ДВС предпочтительно предусматривать каталитически активное покрытие с целью обеспечить возможность эффективного превращения содержащихся в ОГ вредных веществ в безвредные вещества уже при сравнительно низких температурах.

В соответствии с еще одним вариантом выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента матрица по меньшей мере частично окружена наружным структурированным или профилированным листом фольги, который прежде всего по меньшей мере частично образует по меньшей мере один ограничитель сжатия. Преимущество, связанное с наличием подобного структурированного или профилированного листа фольги, состоит в том, что он при определенных условиях образует цельный кольцевой ограничитель сжатия и одновременно обеспечивает определенную гибкость в окружном направлении благодаря его структурированию или профилированию.

Согласно еще одному варианту выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента по меньшей мере один ограничитель сжатия имеет предотвращающие распространение трещин средства. Такие средства могут представлять собой, например, утолщения материала, поперечные ребра, поперечные прорези либо иные создающие аналогичный эффект элементы, которые предотвращают беспрепятственное распространение в материале ограничителя сжатия трещин, образовавшихся под воздействием тепловых и механических нагрузок.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере наиболее предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичное изображение системы выпуска ОГ с ДВС и сотовым элементом,

на фиг.2 - схематичное изображение в аксонометрической проекции одного из вариантов выполнения сотового элемента,

на фиг.3 - схематичное детальное изображение в аксонометрической проекции фрагмента сотового элемента, выполненного по другому варианту,

на фиг.4 - схематичное изображение в разрезе сотового элемента в соответствии со следующим вариантом его выполнения и

на фиг.5 - схематичное детальное изображение в аксонометрической проекции фрагмента сотового элемента в соответствии еще с одним вариантом его выполнения.

На фиг.1 схематично показана система 2 выпуска отработавших газов (ОГ), образующихся при работе двигателя 3 внутреннего сгорания (ДВС), с системой их нейтрализации. Для превращения содержащихся в ОГ вредных веществ в безвредные вещества в системе 2 выпуска ОГ имеется несколько компонентов, таких, например, как улавливатели твердых частиц, электрические нагревательные элементы или же сотовый элемент 1.

На фиг.2 в аксонометрической проекции схематично показан один из вариантов выполнения сотового элемента, пригодного прежде всего для использования в системе выпуска ОГ ДВС 3. Сотовый элемент 1 имеет кожух 4 и металлическую матрицу (каркас) 5 со средним исходным диаметром 6. Матрица 5 соединена с кожухом 4 по меньшей мере через один ограничитель 7 сжатия (не показан), который создает в матрице 5 направленное наружу растягивающее напряжение, благодаря чему средний исходный диаметр 6 матрицы 5 при воздействии на нее и/или после исчезновения воздействующей на нее тепловой нагрузки, сопровождающейся сжатием матрицы, уменьшается максимум на 5%, предпочтительно даже максимум лишь на 2%.

При этом такой по меньшей мере один ограничитель 7 сжатия его торцовым участком 8 (не показан) соединен с матрицей 5 с образованием места 9 их соединения. Концевым участком 10 (не показан) по меньшей мере один ограничитель 7 сжатия соединен с кожухом 4 с образованием тем самым места 11 его крепления к кожуху сотового элемента. Место 9 соединения ограничителя сжатия с матрицей расположено вблизи входной для газа стороны сотового элемента в пределах отрезка 14, протяженность которого, отсчитываемая от расположенного с входной для газа стороны торца 13 в направлении оси 15, составляет менее 20 мм. Помимо этого место 9 соединения ограничителя сжатия с матрицей в принципе можно выполнить согласно изобретению и вблизи расположенного с выходной для газа стороны торца 28.

Матрица 5 сотового элемента 1 имеет стенки 12, которые образованы по меньшей мере частично структурированными или профилированными листами фольги 18 и 19, которые в набранном в пакет и/или скрученном либо свернутом в рулон виде образуют проточные для газа каналы 20. В показанном на чертеже варианте выполнения сотового элемента 1 листы фольги 18 и 19 скручены S-образно, а концы каждого из них при этом располагаются в окружном направлении 17 по периметру сотового элемента 1.

На фиг.3 более детально схематично показан фрагмент матрицы 5 и кожуха 4, с которым матрица 5 соединена несколькими ограничителями 7 сжатия. Ограничители 7 сжатия создают в матрице 5 направленное наружу, т.е. направленное к кожуху 4 сотового элемента, растягивающее напряжение, благодаря чему средний исходный диаметр 6 (не показан) матрицы 5 при воздействии на нее и/или после исчезновения воздействующей на нее тепловой нагрузки, сопровождающейся сжатием матрицы, уменьшается максимум на 5%, предпочтительно даже максимум лишь на 2%.

Каждый из ограничителей 7 сжатия его торцовым участком 8 соединен с матрицей 5 с образованием места 9 их соединения, а концевым участком 10 соединен с кожухом 4 с образованием места 11 его крепления к кожуху сотового элемента. При этом растягивающее напряжение, создаваемое в матрице через место 9 ее соединения с одним из ограничителей сжатия, соответствует максимум средней прочности неразъемного соединения стенок 12 между собой и/или средней прочности самих стенок 12.

В данном случае стенки 12 образованы профилированными 18 и гладкими 19 листами фольги и в соответствии с этим ограничивают образованные ими проточные для газа каналы 20. Толщина 21 листов фольги 18 и 19 составляет менее 0,06 мм. С учетом применении подобного сотового элемента 1 в системе 2 выпуска ОГ ДВС 3 (не показан) плотность расположения каналов по поперечному сечению матрицы 5 составляет по меньшей мере 600 каналов на 1 кв.дюйм, при этом для превращения содержащихся в ОГ вредных веществ в безвредные вещества листы фольги 18, 19 покрыты каталитически активным покрытием 22.

Показанные на чертеже ограничители 7 сжатия имеют предотвращающие распространение трещин средства (например, поперечные ребра 23 и поперечные прорези 24). Подобные средства позволяют предотвратить распространение возможно образовавшейся в ограничителе сжатия трещины от места 9 его соединения с матрицей в сторону места 11 его крепления к кожуху сотового элемента. Между кожухом 4 и матрицей 5 с учетом размещения между ними ограничителей 7 сжатия образуется кольцевой зазор 16, уплотняемый предпочтительно ограничителями 7 сжатия. Такой кольцевой зазор 16 имеет сравнительно малую ширину, поскольку непосредственно после изготовления сотового элемента матрица 5 обычно плотно прилегает к его кожуху 4, а средний исходный диаметр 6 матрицы 5 согласно изобретению уменьшается при приложении к ней и/или после исчезновения приложенной к ней тепловой нагрузки, сопровождающейся сжатием матрицы, максимум на 5%.

На фиг.4 схематично показан другой вариант выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента 1. В этом варианте матрица 5 соединена с кожухом 4 сотового элемента несколькими ограничителями 7а и 7b сжатия, при этом между каждым из ограничителей 7а, 7b сжатия и матрицей 5 образуется место 9 их соединения, а между каждым из ограничителей 7а, 7b сжатия и кожухом 4 сотового элемента соответственно образуется место 11 его крепления к кожуху сотового элемента. Ограничители 7а, 7b сжатия создают в матрице направленное наружу растягивающее напряжение, благодаря чему средний исходный диаметр 6 матрицы 5 при воздействии на нее и/или после исчезновения воздействующей на нее тепловой нагрузки, сопровождающейся сжатием матрицы, уменьшается максимум на 5%. Ограничители 7а и 7b сжатия расположены последовательно в направлении продольной оси 15, при этом их предпочтительно располагать со смещением относительно друг друга в окружном направлении 17 (не показано) матрицы 5. Для возможности свободного осевого сжатия, соответственно растяжения матрицы 5, ограничители 7а и 7b сжатия выполнены гибкими в направлении оси 15.

Показанный схематично на чертеже внешний вид матрицы 5 соответствует ее форме, которую она обычно принимает после многократного циклического воздействия на нее знакопеременных тепловых нагрузок. Прерывистой линией, которой ограничен средний исходный диаметр 6 матрицы, обозначена первоначальная форма (цилиндрическая форма) матрицы 5, которая после многократного циклического воздействия на нее знакопеременных тепловых нагрузок приобретает показанную на чертеже бочковидную форму. Однако благодаря ограничителям 7а и 7b сжатия ширина кольцевого зазора 16 остается исключительно малой, поскольку максимально допустимое уменьшение среднего исходного диаметра 6 матрицы, прежде всего вблизи расположенного с входной для газа стороны торца 13 или вблизи расположенного с выходной для газа стороны торца 28, составляет 5%.

На фиг.5 схематично в аксонометрической проекции детально показан следующий вариант выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента. В этом варианте матрица 5 также образована гладкими 19 и профилированными 18 листами фольги, образующими проточные для текучей среды каналы 20. В показанном на чертеже варианте матрица 5 окружена ограничителем 7 сжатия, который соединен с ней в двух местах 9. Ограничитель 7 сжатия создает направленное наружу растягивающее напряжение по меньшей мере в некоторой части матрицы 5, благодаря чему ее средний исходный диаметр 6 (не показан) при воздействии на нее и/или после исчезновения воздействующей на нее тепловой нагрузки уменьшается максимум на 5%. В этом случае матрица 5 крепится к кожуху 4 (не показан) сотового элемента с помощью по меньшей мере одного крепежного средства 25, которое первым соединением 26 соединено с кожухом 4 (не показан) сотового элемента и вторым соединением 27 соединено с матрицей 5. Поскольку основное назначение ограничителя 7 сжатия состоит в том, чтобы предотвращать значительное уменьшение наружного диаметра 6 матрицы 5, для ее крепления к кожуху сотового элемента можно использовать сравнительно жесткие (устойчивые) крепежные средства 25 и прежде всего в том случае, когда второе соединение 27 располагается вблизи ограничителя 7 сжатия.

Сотовый элемент имеет кожух, по меньшей мере один ограничитель сжатия и металлическую матрицу со средним исходным диаметром, соединенную с кожухом сотового элемента ограничителем сжатия. При воздействии на матрицу и/или после исчезновения воздействующей на матрицу тепловой нагрузки средний исходный диаметр матрицы уменьшается максимум на 5%, предпочтительно максимум на 2% за счет создания по меньшей мере одним ограничителем сжатия направленного наружу растягивающего напряжения по меньшей мере в части матрицы. Ограничитель напряжения имеет коэффициент теплового расширения, отличный от коэффициента теплового расширения матрицы, и/или имеет удельную поверхностную теплоемкость, отличную от удельной поверхностной теплоемкости матрицы. Изобретение позволяет повысить срок службы сотового элемента. 13 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Сотовый элемент (1) прежде всего для применения в системе (2) выпуска отработавших газов (ОГ) двигателя (3) внутреннего сгорания (ДВС), имеющий кожух (4), по меньшей мере один ограничитель (7) сжатия и металлическую матрицу (5) со средним исходным диаметром (6), соединенную с кожухом (4) сотового элемента указанным по меньшей мере одним ограничителем (7) сжатия, отличающийся тем, что при воздействии на матрицу (5) тепловой нагрузки и/или после исчезновения воздействующей на матрицу (5) тепловой нагрузки средний исходный диаметр (6) матрицы (5) уменьшается максимум на 5%, предпочтительно максимум на 2%, за счет создания по меньшей мере одним ограничителем (7) сжатия направленного наружу растягивающего напряжения по меньшей мере в части матрицы (5), причем ограничитель (7) сжатия имеет коэффициент теплового расширения, отличный от коэффициента теплового расширения матрицы (5), и/или имеет удельную поверхностную теплоемкость, отличную от удельной поверхностной теплоемкости матрицы (5).2. Сотовый элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что по меньшей мере один ограничитель (7) сжатия его торцовым участком (8) соединен с матрицей (5) с образованием места (9) их соединения и его концевым участком (10) соединен с кожухом (4) сотового элемента с образованием места (11) его крепления к этому кожуху сотового элемента.3. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что создаваемое в матрице по меньшей мере одним ограничителем (7) сжатия растягивающее напряжение эффективно в интервале температур от -40 до 1050°С.4. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один ограничитель (7) сжатия и матрица (5) имеют общее место (9) их соединения, которое расположено вблизи одного из торцов (13, 28) сотового элемента, предпочтительно в пределах отрезка (14), протяженность которого, отсчитываемая от этого торца (13, 28) сотового элемента в направлении оси (15), составляет менее 20 мм, предпочтительно даже менее 10 мм.5. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один ограничитель (7) сжатия выполнен таким образом, что он уплотняет окружающий матрицу (5) кольцевой зазор (16).6. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что в его осевом направлении последовательно расположено несколько ограничителей (7а, 7b) сжатия, при этом предпочтительным является их расположение со смещением друг относительно друга в окружном направлении (17) матрицы (5), и прежде всего несколько таких ограничителей (7а, 7b) сжатия для возможности свободного осевого сжатия, соответственно растяжения матрицы (5) выполнены гибкими в направлении оси (15).7. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один ограничитель (7) сжатия и матрица (5) выполнены из различных материалов.8. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что матрица (5) термически изолирована относительно кожуха (4) сотового элемента.9. Сотовый элемент (1) по п.1, отличающийся тем, что матрица (5) имеет стенки (12), образованные по меньшей мере частично структурированными или профилированными листами фольги (18, 19), которые в набранном в пакет и/или свернутом в рулон виде образуют проточные для газа каналы (20).10. Сотовый элемент (1) по п.9, отличающийся тем, что матрица (5) по меньшей мере частично окружена наружным структурированным или профилированным листом фольги (18), который по меньшей мере частично образует по меньшей мере один ограничитель (7) сжатия.11. Сотовый элемент (1) по п.9 или 10, отличающийся тем, что толщина (21) листов фольги (18, 19) составляет менее 0,06 мм, прежде всего даже менее 0,03 мм.12. Сотовый элемент (1) по п.9 или 10, отличающийся тем, что плотность расположения каналов по поперечному сечению матрицы (5) составляет более 600, прежде всего более 1000 каналов на кв. дюйм.13. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что он имеет каталитически активное покрытие (22).14. Сотовый элемент (1) по п.1 или 2, отличающийся тем, что по меньшей мере один ограничитель (7) сжатия имеет предотвращающие распространение трещин средства (23, 24).