каталитический блок для очистки отработавших газов и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Каталитический блок нейтрализатора отработавших газов, содержащий газопроницаемый рулон, образованный наматываемыми слоями, поверхности которых покрыты катализатором, нанесенным на окись металла, причем один из слоев выполнен из гофрированной стальной ленты, а другой слой расположен в направлении намотки с возможностью пересечения с гофрами соседнего слоя, причем слои в местах пересечений вдавлены одни в другие, отличающийся тем, что, с целью экономии катализатора, другой слой выполнен в виде набора проволок.

2. Способ изготовления каталитического блока путем гофрирования стальной ленты на валках, пропускания слоев через направляющие, одновременной намотки слоев в рулон с нагревом обоих слоев путем пропускания электрического тока, формирования окисного слоя на поверхности ленты и нанесения на него катализатора, отличающийся тем, что, с целью увеличения выхода годной продукции с большим сечением блока, один из слоев образуют из набора проволок и оба слоя подвергают натяжению с усилием.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что электрический ток подают к направляющим.

4. Способ по пп. 2 и 3, отличающийся тем, что намотку рулона осуществляют при помощи дополнительного ролика, который поддерживают в поджатом состоянии с рулоном.

5. Способ по пп. 2 и 4, отличающийся тем, что электрический ток подают к направляющей слоя, образованного набором проволок, и к дополнительному ролику.

6. Способ по пп. 2-5, отличающийся тем, что направляющую слоя, образованного набором проволок, перемещают возвратно-поступательно в направлении, перпендикулярном направлению намотки.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения, а именно, к устройствам, снижающим содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей.

Известно устройство для очистки отработавших газов, сотовая структура которого сформирована из плоской и гофрированной лент, свернутых в спиральный рулон таким образом, что образуются многочисленные сквозные каналы [1]

Описанный в патенте способ изготовления предусматривает перед формированием рулона сварку плоской и гофрированной лент между собой в точках качающейся лазерной пушкой, а после формирования рулона его активацию. Такой каталитический блок обладает низкой эффективностью очистки за счет установления ламинарного потока газов и образования вдоль стенок каналов гидродинамического пограничного слоя, ограничивающего передачу массы газов к катализатору после исчезновения эффекта турбулизации на входе в каналы.

Недостатком способа изготовления является низкая прочность сотовой структуры из-за того, что сварные точки довольно редки и во время навивки в спиральный рулон соседние сваренные (двойные) слои между собой не крепятся, что не исключает смещение их относительно друг друга вследствие пульсации потока газов, воздействующего на рулон совместно с высокой температурой и вибрацией. Смещение слоев сопровождается нарушением каталитического слоя и осыпанием катализатора, что приводит к снижению эффективности очистки.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному варианту блока является каталитический блок, состоящий только из гофрированной стальной ленты, гребни гофр которой выполнены под углом к кромке ленты. Эта лента намотана в спиральный рулон таким образом, что гребни и впадины гофр соседних слоев пересекаются между собой, в результате чего образуются пересекающиеся газовые каналы, причем в местах пересечений гребни и впадины соседних слоев вдавлены одни в другие [2]

В этой заявке описан способ изготовления каталитического блока, включающий гофрирование стальной ленты, намотку рулона с одновременным нагревом ленты между двумя электродами, обеспечивающими вдавливание гребней и впадин гофр соседних слоев в местах их пересечений, формирование окисного слоя на поверхностях ленты и нанесение на него катализатора.

Такой каталитический блок имеет высокую прочность, его слои надежно закреплены от смещения друг относительно друга. Вследствие турбулентного характера течения газов по всему объему блока, он обладает повышенной степенью очистки. Также необходимо отметить его технологичность для блоков диаметром до 140 мм (для легковых автомобилей).

Недостатком известного технического решения является то, что способ не позволяет с высокой степенью стабильности качества изготавливать блоки диаметром более 150 мм, применяемых для очистки отработавших газов автомобилей с объемом двигателя более 3 литров. Это происходит вследствие того, что при увеличении диаметра блока увеличивается действующий на наматывающую оправку и центральные витки гофрированной ленты момент пары сил трения, возникающих между формирующимся рулоном и роликовыми электродами, усилие поджатия которых доходит до 30 кг. В результате оправка начинает испытывать большие деформации кручения, а гофры ленты, начиная с центральных витков, распрямляются и наматываются один на другой. Ячеистая структура деформируется и блок теряет прочность. При этом выход годной продукции в производстве составляет около 20

Целью предлагаемого изобретения является увеличение выхода годной продукции с большим сечением блока.

Указанная цель достигается тем, что в известном каталитическом блоке, содержащем газопроницаемый рулон, образованный наматываемыми слоями, поверхности которых покрыты нанесенным на окись металла катализатором, причем один из слоев в блоке выполнен из гофрированной стальной ленты, а второй слой расположен в направлении намотки с возможностью пересечения с гофрами соседнего слоя и в местах пересечений слои вдавлены одни в другие, второй слой выполнен в виде набора проволок.

Способ изготовления заявляемого устройства отличается от известного способа тем, что помимо гофрирования стальной ленты на валках, пропускания слоев через направляющие, одновременной намотки слоев путем пропускания электрического тока, формирования окисного слоя и нанесения катализатора, один из слоев образуют из набора проволок и оба слоя подвергают натяжению с усилием.

С целью создания рулона, имеющего равноплотную или разноплотную структуру каналов, а именно для получения рациональной, в плане газовой динамики, структуры, степень деформации в процессе навивки варьируют скоростью навивки, величиной тока и усилием натяжения ленты и проволок. Так, изменение скорости намотки в зависимости от количества навитых витков ведет к увеличению или уменьшению времени разогрева гофр в местах их контактов с проволоками, изменение величины тока ведет к изменению степени разогрева проволок, изменение усилия натяжения ведет к изменению величины вдавливания проволок в гофры.

В соответствии с одним из предложенных вариантов электрический ток подают к направляющим, находящимся в контактах с лентой и проволоками. В этом случае образуется электрическая цепь: направляющая проволок проволоки рулон

гофрированная лента направляющая ленты. Для создания дополнительного усилия деформации гофр намотку производят при использовании дополнительного ролика, который поддерживают в поджатом состоянии с рулоном. Усилие поджатия в процессе намотки поддерживают постоянным или изменяют в зависимости от количества навитых витков.

В соответствии с другим вариантом способа изготовления электрический ток подают к направляющей слоя, образованного набором проволок, и к дополнительному ролику, находящемуся с формирующимся рулоном в поджатом состоянии с усилием, обеспечивающим деформацию гофр. При этом ролик захватывает всю длину рулона, в результате чего все точки пересечений проволок с гребнями гофр оказываются деформированными. Усилие поджатия в процессе намотки поддерживают постоянным или изменяют в зависимости от количества намотанных витков. Образующаяся в этом случае электрическая цепь включает в себя направляющую проволок проволоки рулон роликовый электрод.

Для увеличения проходного сечения каналов и снижения гидравлического сопротивления направляющую слоя, образованного набором проволок, перемещают возвратно-поступательно в направлении, перпендикулярном направлению намотки. В этом случае деформированные места располагаются по каналу в разных сечениях.

На фиг.1 показан каталитический блок, его газопроницаемая структура; на фиг. 2,3 варианты возможных деформаций гофр и размещения проволок; на фиг. 4,5,6,7 схемы, иллюстрирующие предлагаемые варианты способа изготовления газопроницаемого рулона.

Каталитический блок 1 содержит одну гофрированную металлическую ленту 2 из стали Х23Ю5 и несколько проволок 3 из сплава с высоким электрическим сопротивлением, например Х20Н80 или Х23Ю5. Лента и проволоки берут свое начало в центре блока и виток за витком, накладываясь друг на друга, наматываются в газопроницаемый спиральный рулон круглой или овальной формы. Проволоки 3 расположены в направлении намотки поперек гребням гофр 4 ленты 2 и, с целью упрочнения рулона, а также для исключения возможности смещения спиральных витков ленты и проволок друг относительно друга, проволоки вдавлены в прилегающие к ним гофры на величину h. Эта величина составляет 0,1-0,5 от диаметра проволок d= 0,5 мм и в зависимости от конкретных условий применения, одинакова во всем объеме рулона или различна от центра к его наружной поверхности, т. е. рулон имеет равноплотную или разноплотную структуру. В большинстве случаев для рациональной организации потока газов рулон должен иметь уменьшающуюся от центра к наружной поверхности плотность. При h=0,5d соседние витки ленты накладываются друг на друга, контактируя в некоторых местах между собой гребнями гофр, образуя при этом многочисленные сквозные каналы. При h < 0,5d гофрированные витки ленты между собой не контактируют и между их гребнями образуется зазор в виде одной спиральной щели высотой S. В этом случае рулон имеет один спиральный сквозной канал, поверхности которого образованы гофрированной лентой.

Кроме крепления, проволоки выполняют роль турбулизаторов потоков и располагаются по длине канала на определенном расстоянии друг от друга t25 мм, а именно 10 мм. Это расстояние определяется из условий течения газов, необходимой прочности рулона и непосредственно влияет на эффективность очистки.

В рулоне спиральные витки каждой отдельно взятой проволоки располагаются в одной плоскости, перпендикулярной продольной оси рулона, или проходят по винтовой линии, направление которой после каждого витка или нескольких витков меняется на противоположное (с правого на левое и наоборот).

Рулон изготовлен из ленты толщиной 0,05 мм и шириной 90 мм. Гофры выполнены в форме треугольников, трапеций или синусоиды высотой 1,2 мм. Гребни гофр по отношению к кромке ленты расположены под прямым углом.

Рулон содержит 9 спирально навитых проволок.

Блок покрыт катализатором из благородных металлов Pt и Rh

Катализатор нанесен на окись алюминия, которая в свою очередь крепится к поверхности окисленной ленты.

Во время работы отработавшие газы поступают через торцевую поверхность блока в каналы. Проходя по ним и активно перемешиваясь, газы контактируют с каталитическим слоем, после чего, очищенные от вредных компонентов, выходят на другом торце блока.

Способ осуществляется следующим образом.

Гладкую стальную ленту 5 с подающей катушки 6 пропускают через гофрировальные валки 7, формирующие на ленте гофры, гребни которых расположены по отношению к кромке ленты под прямым углом. Далее гофрировальная лента проходит по направляющему ролику 6 и наматывается вокруг оси О в спиральный рулон 9, причем одновременно с лентой навивают и проволоки 3 из сплава с высоким электрическим сопротивлением, поступающие с подающих катушек 10 и проходящие по направляющему ролику 11. На ролики 8,11 подают напряжение U. Ток, проходя по проволокам и гофрированной ленте, обеспечивает нагрев проволок, которые в свою очередь разогревают в местах контактов гофры. Усилие натяжения проволок и ленты обеспечивает деформацию гофр в этих местах.

В процессе намотки степень деформации гофр варьируют скоростью намотки, изменением частоты вращения n (10-60 об/мин), величиной тока и напряжения U (5-24 В), а также усилием натяжения ленты и проволок, т.е. эти параметры поддерживают постоянными в течение всего цикла навивки, или какие-то из них, в отдельности или совместно, изменяют в зависимости от количества навитых витков. Намотку можно производить при использовании ролика 1 из материала с низкой теплопроводностью, создающего дополнительное усилие деформации Р (5-15 кг), которое в процессе навивки поддерживают постоянным или изменяют.

Напряжение можно подавать на ролик 11 и роликовый электрод 13 (см.фиг. 6). В этом случае роликовый электрод используется не только для подвода электроэнергии, но и для обеспечения усилия деформации Р, которое в процессе намотки также поддерживают постоянным или изменяют.

Способ предусматривает вариант изготовления рулона, в котором деформированные места располагаются по каналу в разных сечениях. Для этого производят осевое возвратно-поступательное перемещение направляющего ролика 11 в направлении, перпендикулярном направлению намотки, как это показано на фиг. 7.

Ролики 8,11 и роликовый электрод 13 изготовлены из меди. Ширина роликового электрода на 2-5 мм больше ширины ленты.

Ролик 12 (см.фиг.5) изготовлен из текстолита. Носитель из окиси алюминия припечен к стали. Катализатор нанесен методом пропитки носителя солями Pt и Rh с последующим их восстановлением.

Использование предлагаемого изобретения позволит изготавливать каталитические блоки большого сечения без значительных нагрузок на наматывающую оправку и центральные витки слоев. В производстве блоков диаметром более 150 мм выход годной продукции, по сравнению с прототипом, увеличивается с 20% до 98% 2