Трубчатый кожух для сотового элемента, используемого для нейтрализации отработавших газов, и каталитический нейтрализатор
Изобретение может быть использовано в системах нейтрализации отработавших газов (ОГ) ДВС. Трубчатый кожух для сотового элемента, используемого для нейтрализации отработавших газов (ОГ), имеет первую зону, расположенную вблизи первого его торца, и третью зону, расположенную вблизи второго его торца, при этом трубчатый кожух имеет в этих первой и третьей зонах первый внутренний диаметр, а также имеет вторую зону, которая расположена между указанными первой и третьей зонами и в которой трубчатый кожух имеет второй внутренний диаметр, который больше первого внутреннего диаметра. Длина первой зоны вдоль продольной оси трубчатого кожуха составляет менее 5 мм, предпочтительно менее 3 мм и по меньшей мере 1,5 мм. Благодаря относительно небольшому осевому размеру первой зоны обеспечивается не только долговечное соединение сотового элемента с трубчатым кожухом, но исключительно малый отвод тепла от сотового элемента в трубчатый кожух, что позволяет существенно улучшить характеристики каталитического нейтрализатора в период пуска холодного двигателя. Представлена конструкция каталитического нейтрализатора с вышеописанным трубчатым кожухом. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к трубчатому кожуху для сотового элемента, используемого для нейтрализации отработавших газов (ОГ). Изобретение относится также к каталитическому нейтрализатору с таким трубчатым кожухом. Подобные каталитические нейтрализаторы используются преимущественно в системах выпуска ОГ двигателей внутреннего сгорания (ДВС).
Для соблюдения постоянно ужесточающихся во всем мире норм, определяющих предельные показатели выброса ОГ, в настоящее время разработаны и совершенствуются различные концептуальные подходы по ограничению выброса в атмосферу вредных веществ. При этом одним из основных направлений подобных разработок является совершенствование характеристик систем выпуска ОГ для снижения токсичности выбросов прежде всего в период пуска холодного двигателя и непосредственно следующий за этим периодом промежуток времени. Для нейтрализации ОГ используются специальные каталитические нейтрализаторы. Поверхность таких каталитических нейтрализаторов выполнена из каталитически активного материала или покрыта каталитически активным материалом, который после его нагрева до определенной температуры (порядка 250°С) обеспечивает химическое превращение содержащихся в ОГ вредных веществ (моноксида углерода, углеводорода, оксида азота). При этом стремятся минимизировать промежуток времени, проходящего до достижения каталитическим нейтрализатором этой рабочей температуры, при которой начинается указанное каталитическое превращение вредных веществ.
Из патента US 4282186 известен трубчатый кожух для сотового элемента, используемого для нейтрализации ОГ, имеющий первую зону, расположенную вблизи первого его торца, и третью зону, расположенную вблизи второго его торца. В этих первой и третьей зонах трубчатый кожух имеет первый внутренний диаметр. Известный трубчатый кожух также имеет вторую зону, которая расположена между первой и третьей зонами и в которой трубчатый кожух имеет второй внутренний диаметр, который больше первого внутреннего диаметра. Из патента US 4282186 известен также каталитический нейтрализатор, предназначенный для нейтрализации отработавших газов ДВС автотранспортных средств и имеющий матрицу-носитель, образованную соединенными между собой листами металлической фольги, и описанный выше трубчатый кожух.
Как указано выше, внутренний диаметр трубчатого кожуха вблизи его торцев меньше внутреннего диаметра в средней его части. Матрица-носитель соединена с трубчатым кожухом на его расположенных у торцев участках меньшего внутреннего диаметра за счет образования на этих участках посадки с натягом, при этом в таком соединении с натягом для повышения его надежности предлагается дополнительно использовать сварное или паяное соединение. В средней части каталитического нейтрализатора за счет большего внутреннего диаметра трубчатого кожуха в этой средней части образовано кольцевое свободное пространство. Это свободное пространство выполняет функцию теплоизолирующего слоя, который препятствует передаче тепла на этом участке от матрицы-носителя к трубчатому кожуху.
При прохождении через известный каталитический нейтрализатор потока горячих ОГ, образующихся при работе ДВС, по длине нейтрализатора между его входной и. выходной сторонами и прежде всего в период пуска холодного двигателя возникает перепад температур. В результате матрица-носитель прогревается до необходимой рабочей температуры, при которой начинается каталитическая реакция и которая составляет около 250°С, сначала вблизи входной стороны нейтрализатора, с которой в него поступают ОГ. Подобная каталитическая реакция носит экзотермический характер, т.е. протекает с выделением тепловой энергии, что обеспечивает дополнительный нагрев тех участков матрицы-носителя, которые расположены дальше по ходу потока ОГ. Подобный режим нагрева матрицы-носителя в известном каталитическом нейтрализаторе, имеющем симметричное конструктивное исполнение, соответственно симметричную компоновку, не учитывался.
В основу настоящего изобретения была положена задача разработать трубчатый кожух, прежде всего для каталитического нейтрализатора, который (трубчатый кожух) позволял бы улучшить характеристики такого каталитического нейтрализатора в период пуска холодного двигателя и непосредственно в следующий за этим периодом отрезок времени и обеспечивал бы надежное и долговечное его соединение с носителем каталитического нейтрализатора.
Указанная задача решается согласно изобретению с помощью трубчатого кожуха для сотового элемента, используемого для нейтрализации ОГ. Предлагаемый трубчатый кожух, как и его ближайший аналог, имеет первую зону, расположенную вблизи первого его торца, и третью зону, расположенную вблизи второго его торца. В первой и третьей зонах трубчатый кожух имеет первый внутренний диаметр. Предлагаемый трубчатый кожух также имеет вторую зону, которая расположена между указанными первой и третьей зонами и в которой трубчатый кожух имеет второй внутренний диаметр, который больше первого внутреннего диаметра. Отличие предлагаемого трубчатого кожуха заключается в том, что длина первой зоны вдоль продольной оси трубчатого кожуха составляет менее 5 мм. В предпочтительном варианте выполнения длина первой зоны вдоль продольной оси трубчатого кожуха составляет менее 3 мм.
Выполнение трубчатого кожуха с меньшим первым внутренним диаметром в первой и третьей зонах позволяет, например, неразъемно соединять его с носителем, если конструктивное исполнение последнего обеспечивает его контакт с трубчатым кожухом в этих зонах. Подобное неразъемное соединение можно выполнить, например, известным методом пайки.
С учетом температурного режима, преобладающего в процессе прогрева каталитического нейтрализатора, установленного в системе выпуска ОГ, первая зона выполнена относительно небольшой осевой длины. Благодаря этому длина участка, на котором трубчатый кожух вблизи первого его торца контактирует с матрицей-носителем, ограничена несколькими миллиметрами, и поэтому передача тепла от носителя трубчатому кожуху снижается.
В частном варианте выполнения трубчатого кожуха длина его первой зоны вдоль его продольной оси составляет по меньшей мере 1,5 мм. Подобный трубчатый кожух применяется главным образом в каталитических нейтрализаторах, устанавливаемых в системе выпуска отработавших газов ДВС. При этом трубчатый кожух, а также носитель каталитического нейтрализатора подвергаются высоким динамическим и термическим нагрузкам. Обеспечить долговечное и надежное закрепление носителя в трубчатом кожухе в первой его зоне можно только при условии, если длина этой второй зоны, необходимая для создания неразъемного соединения, составляет по меньшей мере 1,5 мм.
Согласно еще одному частному варианту протяженность второй зоны вдоль продольной оси трубчатого кожуха составляет от 10 до 40 мм. Более предпочтительно, однако, чтобы согласно еще одному варианту осевая протяженность второй зоны трубчатого кожуха составляла от 10 до 20 мм. Протяженностью второй зоны трубчатого кожуха определяется длина того участка в каталитическом нейтрализаторе, на котором исключается контакт носителя каталитического нейтрализатора с трубчатым кожухом, что тем самым позволяет воспрепятствовать отводу тепла из носителя каталитического нейтрализатора в трубчатый кожух. Поскольку носитель достаточно быстро прогревается под действием тепла, выделяющегося при экзотермической реакции, протекающей при каталитическом превращении, вполне достаточно исключить контакт между носителем и трубчатым кожухом лишь в том месте, вблизи которого носитель уже по истечении короткого промежутка времени достигает рабочей температуры, при которой начинается указанное каталитическое превращение.
Согласно следующему варианту предпочтительно, чтобы второй внутренний диаметр по меньшей мере на 0,4 мм, предпочтительно на 2 мм, был больше первого внутреннего диаметра. Такими размерными соотношениями определяется величина зазора, образованного между трубчатым кожухом и носителем каталитического нейтрализатора во второй зоне. В период пуска холодного двигателя носитель каталитического нейтрализатора из-за повышения его температуры расширяется во второй зоне. Во избежание соприкосновения носителя при подобном его термическом расширении с трубчатым кожухом радиальный зазор между ними должен составлять не менее 0,2 мм.
В соответствии со следующим вариантом предпочтительно, чтобы протяженность второй зоны вдоль продольной оси трубчатого кожуха по меньшей мере в пять раз, более предпочтительно по меньшей мере в десять раз, была больше разности между первым и вторым внутренними диаметрами. Сказанное означает, в частности, что при разности между вторым и первым внутренними диаметрами, равной, например, 2 мм, осевая протяженность второй зоны составляет по меньшей мере 10 мм, предпочтительно по меньшей мере 20 мм.
Согласно еще одному варианту выполнения трубчатого кожуха третья его зона также характеризуется некоторой протяженностью вдоль его продольной оси, при этом протяженность третьей зоны больше длины первой зоны и/или протяженности второй зоны. В соответствии с этим третья зона выполнена относительно протяженной в осевом направлении, что обеспечивает долговечное и надежное неразъемное соединение трубчатого кожуха с носителем каталитического нейтрализатора в этой третьей зоне. Наиболее предпочтительно, чтобы протяженность третьей зоны вдоль продольной оси трубчатого кожуха составляла от 10 до 50 мм.
В соответствии еще с одним вариантом предпочтительно, чтобы толщина стенок трубчатого кожуха составляла от 0,1 до 1,5 мм. Преимущество, связанное с выполнением стенок трубчатого кожуха столь малой толщины, состоит в уменьшении теплоемкости трубчатого кожуха.
Еще одним объектом настоящего изобретения является каталитический нейтрализатор с предлагаемым в изобретении трубчатым кожухом, предназначенный прежде всего для применения в системе выпуска ОГ двигателя внутреннего сгорания. Такой каталитический нейтрализатор имеет сотовый элемент, образованный слоями металлических листов, которые по меньшей мере частично структурированы или профилированы таким образом, чтобы сотовый элемент имел проточную для потока ОГ в направлении его движения структуру. При этом первая зона трубчатого кожуха расположена вблизи входной торцевой стороны нейтрализатора, а третья зона расположена вблизи его выходной торцевой стороны. В такой конструкции сотовый элемент неразъемным соединением соединен с трубчатым кожухом в первой и третьей его зонах.
В период пуска холодного двигателя входная сторона каталитического нейтрализатора с учетом направления потока ОГ имеет более высокую температуру. В соответствии с этим трубчатый кожух располагают таким образом, чтобы первая его зона располагалась ближе к входной стороне каталитического нейтрализатора. Сотовый элемент в процессе прохождения сквозь него потока ОГ отбирает от них тепло и нагревается. Учитывая характер движения потока ОГ, сквозь радиально внешние участки сотового элемента протекает лишь относительно небольшое количество ОГ, из-за чего нагрев этих участков происходит медленнее. С целью уменьшить отвод тепловой энергии вблизи входной торцевой стороны носителя первая зона трубчатого кожуха выполнена относительно небольшой осевой длины, что позволяет уменьшить длину того участка, на котором трубчатый кожух контактирует с сотовым элементом. Столь же небольшой в осевом направлении участок контакта между сотовым элементом и трубчатым кожухом обеспечивается и в том случае, когда последний выступает за пределы входной торцевой стороны сотового элемента. При таком конструктивном исполнении этот участок контакта располагается на отрезке от входной торцевой стороны сотового элемента до второй зоны трубчатого кожуха. Тем самым обеспечивается более быстрый прогрев сотового элемента вблизи его входной торцевой стороны.
В частном варианте выполнения предлагаемого каталитического нейтрализатора предпочтительно, чтобы во второй зоне между трубчатым кожухом и сотовым элементом имелась полость, заполненная воздухом. Такая заполненная воздухом полость служит при этом теплоизолятором, препятствующим передаче тепла от нагревающегося сотового элемента к еще достаточно холодному трубчатому кожуху.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено на примере наиболее предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в нем трубчатого кожуха со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - вид в перспективе предлагаемого в изобретении трубчатого кожуха и
на фиг.2 - продольный разрез выполненного по одному из вариантов предлагаемого в изобретении трубчатого кожуха с сотовым элементом.
На фиг.1 в перспективе изображен предлагаемый в изобретении трубчатый кожух 1, имеющий первую зону 2, расположенную вблизи первого его торца 10, и третью зону 4, расположенную вблизи второго его торца 11. В этих первой 2 и третьей 4 зонах трубчатый кожух 1 имеет первый внутренний диаметр 8 (фиг.2). Кроме того, трубчатый кожух 1 имеет вторую зону 3, расположенную между первой 2 и третьей 4 зонами. Во второй зоне 3 трубчатый кожух имеет второй внутренний диаметр 9, который больше первого его внутреннего диаметра 8. Длина 5 первой зоны 2 вдоль продольной оси 19 составляет менее 5 мм, предпочтительно менее 3 мм. К первой зоне 2 примыкает вторая зона 3, протяженность 6 которой вдоль продольной оси 19 составляет от 10 до 40 мм. Протяженность 7 третьей зоны 4 вдоль продольной оси 19 больше длины 5 первой зоны 2 и/или протяженности 6 второй зоны 3.
На фиг.2 в продольном разрезе показан выполненный по одному из вариантов каталитический нейтрализатор или преобразователь с трубчатым кожухом 1 и заключенным в него сотовым элементом 12. Сотовый элемент 12 является проточным для движущегося в направлении 13 потока ОГ. В соответствии с этим каталитический нейтрализатор имеет входную торцевую сторону 16 и выходную торцевую сторону 17. Первая зона 2 трубчатого кожуха 1 расположена ближе к впускной торцевой стороне 16. В первой зоне 2 трубчатый кожух соединен неразъемным соединением 14 с сотовым элементом 12.
Показанный на чертеже сотовый элемент 12 образован слоями металлических листов 18, которые по меньшей мере частично структурированы или профилированы таким образом, чтобы сотовый элемент 12 имел проточную для потока ОГ структуру. По этой причине неразъемное соединение 14 наиболее предпочтительно выполнять пайкой.
По ходу движущегося в направлении 13 потока за первой зоной 2 расположена примыкающая к ней вторая зона 3, в которой между сотовым элементом 12 и трубчатым кожухом 1 имеется полость 15. Эта полость предпочтительно заполнена воздухом, благодаря чему на участке расположения второй зоны 3 предотвращается передача тепла от сотового элемента 12 к трубчатому кожуху 1. При этом величина зазора 21 между сотовым элементом 12 и трубчатым кожухом 3 подобрана с таким расчетом, чтобы и при термическом расширении сотового элемента 12 исключался его контакт с трубчатым кожухом 1 во второй зоне 3.
Третья зона 4 проходит от второй зоны 3 до выходной торцевой стороны 17 каталитического нейтрализатора. При этом неразъемное соединение 14 трубчатого кожуха 1 с сотовым элементом 12 в этой третьей зоне 4 занимает только некоторую часть от всей протяженности 7 этой третьей зоны вдоль продольной оси 19.
Трубчатый кожух 1 благодаря небольшой толщине 20 его стенок, составляющей от 0,01 до 1,5 мм, обладает низкой теплоемкостью. Тем самым трубчатый кожух 1 благодаря подобной его низкой теплоемкости обеспечивает быстрый прогрев каталитического нейтрализатора в период пуска холодного двигателя.
1. Трубчатый кожух для сотового элемента (12), используемого для нейтрализации отработавших газов (ОГ), имеющий первую зону (2), расположенную вблизи первого его торца (10), и третью зону (4), расположенную вблизи второго его торца (11), при этом трубчатый кожух (1) имеет в этих первой (2) и третьей (4) зонах первый внутренний диаметр (8), а также имеющий вторую зону (3), которая расположена между указанными первой (2) и третьей (4) зонами и в которой трубчатый кожух имеет второй внутренний диаметр (9), который больше первого внутреннего диаметра (8), отличающийся тем, что длина (5) первой зоны (2) вдоль продольной оси (19) трубчатого кожуха составляет менее 5 мм, предпочтительно менее 3 мм.
2. Трубчатый кожух по п.1, отличающийся тем, что длина (5) первой зоны (2) трубчатого кожуха (1) вдоль его продольной оси (19) составляет по меньшей мере 1,5 мм.
3. Трубчатый кожух по п.1 или 2, отличающийся тем, что протяженность (6) второй зоны (3) вдоль продольной оси (19) трубчатого кожуха составляет от 10 до 40 мм, предпочтительно от 10 до 20 мм.
4. Трубчатый кожух по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что второй внутренний диаметр (9) по меньшей мере на 0,4 мм, предпочтительно на 2 мм, больше первого внутреннего диаметра (8).
5. Трубчатый кожух по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что протяженность (6) второй зоны (3) вдоль продольной оси (19) трубчатого кожуха по меньшей мере в пять раз, предпочтительно по меньшей мере в десять раз, больше разности между первым (8) и вторым (9) внутренними диаметрами.
6. Трубчатый кожух по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что его третья зона (4) характеризуется некоторой протяженностью (7) вдоль его продольной оси (19), при этом указанная протяженность (7) третьей зоны больше длины (5) первой зоны (2) и/или протяженности (6) второй зоны (3).
7. Трубчатый кожух по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что протяженность (7) третьей зоны (4) вдоль продольной оси (19) трубчатого кожуха составляет от 10 до 50 мм.
8. Трубчатый кожух по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что толщина (20) стенок трубчатого кожуха (1) составляет от 0,1 до 1,5 мм.
9. Каталитический нейтрализатор с трубчатым кожухом (1) по любому из пп.1-8, предназначенный прежде всего для применения в системе выпуска ОГ двигателя внутреннего сгорания (ДВС), отличающийся тем, что он имеет сотовый элемент (12), образованный слоями металлических листов (18), которые по меньшей мере частично структурированы или профилированы таким образом, чтобы сотовый элемент (12) имел проточную для потока ОГ в направлении (13) его движения (13) структуру, при этом первая зона (2) трубчатого кожуха (1) расположена вблизи входной торцевой стороны (16) нейтрализатора, а третья зона (4) расположена вблизи его выходной торцевой стороны (17) и сотовый элемент (12) неразъемным соединением (14) соединен с трубчатым кожухом (1) в первой (2) и третьей (4) его зонах.
10. Каталитический нейтрализатор по п.9, отличающийся тем, что во второй зоне (3) между трубчатым кожухом (1) и сотовым элементом (12) имеется полость (15), заполненная воздухом.
