устройство каталитической нейтрализации отработавших газов и соответствующий компенсационный слой прежде всего для транспортных средств

Формула изобретения

1. Устройство (1) каталитической нейтрализации отработавших газов (ОГ) прежде всего для транспортных средств, имеющее по меньшей мере один монолитный керамический сотовый элемент (2), который расположен в металлическом кожухе (3), при этом между кожухом (3) и сотовым элементом (2) расположен компенсационный слой (4), который состоит из набухающего мата (5) с подверженными опасности износа краевыми поверхностями (9) и из изолирующего мата (6) с окантовкой (7) и внутренней частью (8), отличающееся тем, что окантовка (7) изолирующего мата (6) в зоне по меньшей мере одной торцевой стороны сотового элемента (2) толще остальной внутренней части (8) этого изолирующего мата, а набухающий мат (5) расположен вблизи от обращенной к сотовому элементу (2) стороны внутренней части (8) изолирующего мата (6) таким образом, что более толстый участок окантовки (7) изолирующего мата (6) закрывает подверженные опасности износа краевые поверхности (9) набухающего мата (5).

2. Устройство (1) каталитической нейтрализации ОГ по п.1, отличающееся тем, что более толстый участок окантовки (7) получен загибом краев изолирующего мата (6) в сторону кожуха (3).

3. Устройство (1) каталитической нейтрализации ОГ по п.1 или 2, отличающееся тем, что изолирующий мат (6) содержит керамический материал, который обладает очень низкими свойствами теплопроводности и конвективной теплопередачи.

4. Устройство (1) каталитической нейтрализации ОГ по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что изолирующий мат (6) по меньшей мере на более толстом участке своей окантовки (7) содержит длинные керамические волокна.

5. Устройство (1) каталитической нейтрализации ОГ по п.1, отличающееся тем, что набухающий мат (5) содержит керамический материал, который обладает способностью набухать в результате впитывания влаги и за счет этого заполнять смежные с ним пустоты.

6. Устройство (1) каталитической нейтрализации ОГ по любому из пп.1-5, отливающееся тем, что компенсационный слой (4) выполнен в виде комбинированного материала.

7. Устройство (1) каталитической нейтрализации ОГ по п.6, отличающееся тем, что выполненный в виде комбинированного материала компенсационный слой (4) предпочтительно по меньшей мере в один слой обернут вокруг сотового элемента (2).

8. Устройство (1) каталитической нейтрализации ОГ по п.6, отличающееся тем, что выполненный в виде комбинированного материала компенсационный слой (4) состоит из предварительно изготовленных сборных сегментов цилиндрической, овальной или согласованной с любым иным контуром кожуха (3) формы, прежде всего из полукольцевых сегментов.

9. Компенсационный слой (4), состоящий из набухающего мата (5) с подверженными опасности износа краевыми поверхностями (9) и из изолирующего мата (6) с окантовкой (7) и внутренней частью (8) и предназначенный прежде всего для крепления монолитного сотового элемента (2) в металлическом кожухе (3) устройства каталитической нейтрализации ОГ, отличающийся тем, что изолирующий мат (6) по меньшей мере на участках своей окантовки (7) толще его остальной внутренней части (8), а набухающий мат (5) расположен вблизи от соответствующей стороны внутренней части (8) изолирующего мата таким образом, что более толстый участок окантовки (7) изолирующего мата (5) закрывает подверженные опасности износа краевые поверхности (9) набухающего мата (5).

10. Компенсационный слой (4) по п.9, отличающийся тем, что более толстый участок окантовки (7) изолирующего мата (6) получен загибом его краев.

11. Компенсационный слой (4) по п.9 или 10, отличающийся тем, что изолирующий мат (6) содержит керамический материал, который обладает очень низкими свойствами теплопроводности и конвективной теплопередачи.

12. Компенсационный слой (4) по любому из пп.9-11, отличающийся тем, что, изолирующий мат (6) по меньшей мере на более толстом участке своей окантовки (7) содержит длинные керамические волокна.

13. Компенсационный слой (4) по п.9, отличающийся тем, что набухающий мат (5) содержит керамический материал, который обладает способностью набухать в результате впитывания влаги и за счет этого заполнять смежные с ним пустоты.

14. Компенсационный слой (4) по любому из пп.9-13, отличающийся тем, что компенсационный слой (4) выполнен в виде комбинированного материала.

15. Компенсационный слой (4) по п.14, отличающийся тем, что выполненный в виде комбинированного материала компенсационный слой (4) допускает возможность его свертывания.

16. Компенсационный слой (4) по п.14, отличающийся тем, что выполненный в виде комбинированного материала компенсационный слой (4) состоит из предварительно изготовленных сборных сегментов цилиндрической, овальной или согласованной с любым иным контуром формы, прежде всего из полукольцевых сегментов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к устройству каталитической нейтрализации отработавших газов (ОГ), прежде всего для транспортных средств, согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения и к соответствующему компенсационному слою согласно ограничительной части п.9 формулы изобретения.

Устройства нейтрализации ОГ, которые различаются своими конструктивными особенностями и/или типом каталитически активного покрытия, необходимы как для транспортных средств, оснащенных дизельными двигателями, для которых помимо прочего требуется дожигание образующейся при их работе сажи, так и для транспортных средств, оснащенных бензиновыми двигателями, для которых требуется снижение токсичности образующихся при их работе ОГ. При этом существенной проблемой в обоих случаях является долговечное, надежное и прежде всего обладающее амортизирующим действием крепление хрупких керамических сотовых элементов, которые находят широкое применение в устройствах нейтрализации ОГ, в металлическом кожухе, причем указанная проблема усугубляется еще и тем, что эти кожух и сотовый элемент обладают различными коэффициентами теплового расширения, и поэтому кожух при повышении температуры увеличивается в размерах гораздо больше в сравнении с сотовым элементом.

Наиболее оптимальные характеристики устройств нейтрализации ОГ достигаются при применении так называемых набухающих матов в компенсационном слое между кожухом и сотовым элементом, поскольку таким путем можно эффективно скомпенсировать вышеназванные значительные различия в их тепловом расширении. Набухающий мат способен при набухании за счет поглощения влаги заполнять пустоты, образующиеся из-за различий в свойствах кожуха и сотового элемента и погрешностей изготовления, обусловленных производственными допусками, и обеспечивать тем самым надежное крепление сотового элемента в кожухе в течение длительного периода эксплуатации. Набухающие маты, как правило, содержат кусочки слюды, которые впитывают влагу до тех пор, пока в окружающем их пространстве есть свободное место, и увеличиваются при этом в объеме.

Однако недостаток подобных набухающих матов, как и в целом преимущественно используемых в подобных случаях матов из керамических волокон на основе силиката алюминия, заключается в их очень быстром абразивном износе под действием пульсирующего потока ОГ.

Во избежание такого абразивного износа был разработан целый ряд технических предложений, предполагавших окончательно решить проблемы, создаваемые пульсирующим потоком ОГ. Так, например, для стабилизации подобных набухающих матов уже в DE 8019813 U1 предлагалось помещать внутрь набухающего мата гофрированный мат из проволочной сетки. Для защиты набухающего мата от износа с торцов сотового элемента согласно указанной публикации с торцевых сторон сотового элемента устанавливают газонепроницаемые уплотнительные кольца, закрывающие заполненный набухающим матом зазор.

Другое решение по защите от абразивного износа предусматривает использование так называемых металлических экранирующих воронок, которые располагают перед керамическим сотовым элементом на минимальном расстоянии от его торца, величина которого обусловлена зависящей от температуры продольной деформации. В предпочтительной модификации указанного технического решения предусматривается использование экранирующих воронок из керамического материала, которые прилегают своими торцевыми сторонами непосредственно к керамическому сотовому элементу благодаря наличию в этом случае и у экранирующей воронки, и у сотового элемента одинаковых коэффициентов теплового расширения.

Из DE 29709180 U1 известен крепежный мат, который имеет слой из "вспучивающегося", т.е. из содержащего агент набухания материала, и который с целью защиты от абразивного износа снабжен по меньшей мере одной вставкой из упругого, гибкого материала, который вспучивается менее интенсивно или вовсе не вспучивается.

Поскольку в дальнейшем сотовые элементы при их эксплуатации в системах выпуска ОГ нагреваются до 900^oС и более, а расположенные вблизи устройства нейтрализации ОГ элементы конструкции необходимо защищать от действия столь высокой температуры, между кожухом и сотовым элементом предусматривают, как известно, теплоизоляционный слой.

Таким теплоизоляционным слоем может служить воздушная прослойка, которая за счет присущих воздуху низких свойств теплопроводности и конвективной теплопередачи надежно изолирует кожух от действия высоких температур, возникающих в сотовом элементе в процессе эксплуатации устройства каталитической нейтрализации ОГ.

Альтернативно или в дополнение к теплоизоляционной воздушной прослойке предусматривают, как известно, изолирующий слой, выполненный из керамического материала. В этом случае теплоизоляция кожуха относительно сотового элемента также обеспечивается за счет присущих используемым керамическим материалам низких свойств теплопроводности и конвективной теплопередачи. Поскольку вышеназванные набухающие маты, которые используются для крепления сотовых элементов, при очень высокой окружающей температуре, например превышающей 800^oС, отдают воду и при этом сжимаются, что может ослабить фиксацию сотового элемента в кожухе, у некоторых устройств нейтрализации ОГ, которые подвержены действию высоких нагрузок, необходимо термоизолировать эти набухающие маты относительно сотового элемента, для чего, как уже известно, сотовый элемент сначала снабжают так называемым изолирующим матом, т.е. теплоизоляционным слоем, предпочтительно из керамического материала, и лишь затем заключают в набухающий мат.

Однако при этом сохраняется проблема защиты набухающего мата от абразивного износа под действием пульсирующего потока ОГ, эту защиту согласно уже описанному выше уровню техники можно в удовлетворительной степени обеспечить лишь с помощью дорогостоящих экранирующих и/или встроенных армирующих элементов, соответственно вставок.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача не только разработать более простое по конструкции в сравнении с известными устройство нейтрализации ОГ, но и обеспечить надежное экранирование набухающего мата от характеризующегося наличием интенсивных пульсаций потока ОГ даже при очень высокой окружающей температуре.

Указанная задача решается с помощью устройства нейтрализации ОГ согласно п.1 формулы изобретения, соответственно с помощью компенсационного слоя согласно п.9 формулы. Предпочтительные варианты выполнения изобретения представлены в соответствующих зависимых пунктах формулы.

Преимущество предлагаемого в изобретении решения состоит в защите набухающего мата от агрессивного воздействия характеризующегося наличием интенсивных пульсаций потока ОГ и его теплоизоляции от теплопередачи, в том числе конвективной, благодаря тому, что изолирующий мат в зоне по меньшей мере одной торцевой стороны сотового элемента имеет окантовку, толщина которой больше остальной внутренней части этого изолирующего мата, а набухающий мат расположен вблизи от обращенной к сотовому элементу стороны внутренней части изолирующего мата таким образом, что более толстый участок окантовки изолирующего мата закрывает подверженные опасности износа краевые поверхности набухающего мата.

Кроме того, преимущество изобретения состоит в том, что набухающий мат за счет его набухания в результате впитывания влаги и заполнения тем самым смежных с ним пустот обладает способностью закрывать возможно остающиеся при изготовлении или образующиеся при эксплуатации полости между кожухом и сотовым элементом. Благодаря этому обеспечивается долговечное, надежное и прежде всего обладающее амортизирующим действием крепление хрупкого керамического сотового элемента.

В наиболее предпочтительном варианте выполнения изобретения предлагается изготавливать более толстый участок окантовки изолирующего мата загибанием его краев.

В другом предпочтительном с технологической точки зрения варианте выполнения состоящего из набухающего мата и изолирующего мата компенсационного слоя предлагается изготавливать изолирующий мат с его более толстой окантовкой и набухающий мат в виде комбинированного материала. Таким комбинированным материалом можно по меньшей мере в один слой или при более высоких требованиях к изоляции в несколько слоев обернуть, например, сотовый элемент. В другом варианте выполненный в виде комбинированного материала компенсационный слой может состоять из предварительно изготовленных сборных сегментов цилиндрической, овальной или согласованной с любым иным контуром кожуха формы, прежде всего из полукольцевых сегментов.

Другие преимущества и отличительные особенности настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере некоторых вариантов его выполнения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - часть устройства нейтрализации ОГ с местным разрезом и

на фиг.2 - компенсационный слой, выполненный в виде комбинированного материала из набухающего и изолирующего матов.

На фиг. 1 частично в разрезе показана часть предлагаемого в изобретении устройства 1 нейтрализации отработавших газов (ОГ). При этом сотовый элемент 2, обернутый компенсационным слоем 4, расположен в кожухе 3.

Сотовый элемент 2 предпочтительно представляет собой монолитный керамический сотовый элемент, выполненный, в частности, из так называемой тонкостенной керамики. Однако аналогичным образом можно крепить и сотовые элементы 2, состоящие из тонких металлических листов, причем и в этом случае необходимо обеспечить теплоизоляцию этого сотового элемента относительно кожуха 3, который предпочтительно является металлическим. В рассматриваемом варианте выполнения крепление и изоляция обеспечиваются компенсационным слоем 4, состоящим из слоя керамического материала, образованного предпочтительно набухающим матом 3, и еще одного - теплоизоляционного слоя, образованного так называемым изолирующим матом 6. Эти два слоя и составляют вместе компенсационный слой 4, который обеспечивает, с одной стороны, надежное крепление сотового элемента 2 в кожухе 3, а с другой стороны, высокоэффективную теплоизоляцию. Изолирующий мат 6 выполнен из керамического материала и обладает очень низкой теплопроводностью и благодаря этому препятствует теплопередаче, в том числе конвективной, от сотового элемента 2 на кожух 3. Набухающий мат 5 содержит кусочки слюды, которые впитывают влагу до тех пор, пока в окружающем их пространстве есть свободное место, и увеличиваются при этом в объеме. Иными словами, набухающий мат 5 выбирает пустоты, которые образуются из-за различий в свойствах кожуха 3 и сотового элемента 2 и погрешностей изготовления, обусловленных производственными допусками, и обеспечивает тем самым надежную фиксацию сотового элемента 2 в кожухе 3 в течение длительного периода эксплуатации. Набухающие маты 5 и изолирующие маты 6 из керамического материала представляют собой обычно волокнистые маты типа тех, применение которых известно для крепления керамических сотовых элементов 2 и которые имеют толщину, необходимую для компенсации обусловленных производственными допусками погрешностей изготовления наружного кожуха 3 и сотового элемента 2 и для обеспечения долговечного крепления в течение длительного срока эксплуатации. Следует также отметить, что для повышения эффективности теплоизоляции, прежде всего при наличии очень высоких рабочих температур типа тех, действию которых подвергается, например, устройство 1 нейтрализации ОГ при его расположении близко к выпускному коллектору ДВС, можно предусмотреть несколько компенсационных слоев 4 и/или только дополнительные слои, составляющие теплоизоляционный слой 6 и расположенные последовательно в радиальном направлении.

Поскольку пульсирующий поток горячих ОГ приводит, как известно, к износу содержащих кусочки слюды набухающих матов 5, в зоне по меньшей мере одной торцевой стороны сотового элемента 2, а предпочтительно в зоне обеих его торцевых сторон предусмотрена защита от такого пульсирующего потока ОГ. С этой целью края керамического изолирующего слоя 6, который сам по себе является износостойким, загибают в сторону кожуха 3 с образованием в результате своего рода толстой окантовки 7, которая закрывает подверженные опасности износа краевые поверхности набухающего мата. Для изготовления предлагаемых в изобретении устройств 1 нейтрализации ОГ имеющий подобную структуру компенсационный слой 4 наиболее предпочтительно выполнять в виде комбинированного материала.

На фиг.2 показан компенсационный слой 4, который выполнен в виде комбинированного материала, состоящего из изолирующего мата 6 и набухающего мата 5, и которым предпочтительно по меньшей мере в один слой можно обернуть сотовый элемент 2. В другом варианте, не показанном на чертежах, выполненный в виде комбинированного материала компенсационный слой 4 может состоять из предварительно изготовленных сборных сегментов цилиндрической, овальной или согласованной с любым иным контуром кожуха 3 формы, в частности из полукольцевых, т.е. разъемных по продольной оси, сегментов. В том случае, когда изолирующий мат 6, т.е. теплоизоляционный слой, по меньшей мере на более толстом участке его окантовки 7 выполнен из длинных керамических волокон, он не слишком подвержен истиранию под действием пульсирующего потока ОГ, благодаря чему подверженные опасности износа краевые поверхности 9 набухающего мата 5 оказываются в достаточной степени защищены более толстым участком, образованным окантовкой 7 изолирующего мата 6.

Предлагаемое в изобретении решение отличается особо простой и одновременно с тем эффективной конструкцией и допускает его применение в устройствах 1 каталитической нейтрализации ОГ, располагаемых в транспортных средствах близко к двигателю. При этом обеспечивается надежное крепление сотовых элементов 2 и одновременно с этим высокоэффективная теплоизоляция сотового элемента 2 в кожухе 3, а также достаточная степень защиты содержащего набухающий материал слоя 5 компенсационного слоя 4 от износа, обусловленного агрессивным воздействием пульсирующего потока ОГ.