способ изготовления монолитного сотового носителя для каталитических нейтрализаторов отработавших газов изготовленный этим способом

Формула изобретения

1. Способ изготовления монолитного сотового носителя для каталитических нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания из металлической жаростойкой ленты, включающий свертывание ее в блок путем наложения гладкой и гофрированной частей с образованием каналов, очистку металлической ленты блока с последующим соединением при повышенной температуре чередующихся слоев металлической ленты друг с другом в монолитную конструкцию, отличающийся тем, что очистку металлической ленты проводят химической обработкой с применением ультразвука, а соединение чередующихся слоев металлической ленты осуществляют путем диффузионной сварки в вакууме в диапазоне 5·10^-5-1·10^-5 мм рт.ст. при ступенчатом нагреве до температуры 1250±10°С и изотермической выдержке в течение 12-17 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что химическую обработку проводят в щелочном растворе при рН 11,5-12,5, температуре 40-60°С с применением ультразвука с частотой 20-25 кГц.

3. Монолитный сотовый носитель для каталитических нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания, представляющий собой металлическую конструкцию в виде цилиндрического блока или блока с овальным сечением из соединенных друг с другом чередующихся гладкой и гофрированной металлических лент, отличающийся тем, что он изготовлен по п.1 и состоит из параллельных каналов треугольной или трапециевидной формы с плотностью от 200 до 600 штук на кв. дюйм при различной плотности каналов по сечению носителя.

4. Монолитный сотовый носитель по п.3, отличающийся тем, что имеет следующую плотность каналов по сечению носителя: от центра 400 или 600 штук на кв. дюйм - в пределах от 0,55 до 0,7 диаметра цилиндрического блока или от 0,55 до 0,7 длины большой оси блока овального сечения - далее соответственно 200 или 400 штук на кв. дюйм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способу изготовления монолитного сотового носителя для каталитических нейтрализаторов отработавших газов (ОГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и носителю для каталитических нейтрализаторов ОГ ДВС, полученному этим способом.

Известны металлические блочные структуры, например блочные металлические носители катализатора для каталитических нейтрализаторов ОГ, которые свернуты в рулон или набраны в пакет по меньшей мере из частично структурированных металлических листов. Монолитность блоков достигается соединением слоев металлических листов между собой пайкой или спеканием, в частности пайкой твердым или аморфным припоем (также называемой высокотемпературной пайкой), предпочтительно при температурах до 1200°С в вакууме. При необходимости металлическую структуру также соединяют пайкой с кожухом (обечайкой) (RU 2184007, RU 2179097).

Из патента RU 2179097 С2, 27.06.2000 г, известен способ изготовления сотового элемента для каталитических нейтрализаторов отработавших газов, который состоит из металлических листов, по меньшей мере часть из которых по меньшей мере частично структурирована и которые свернуты в рулон или набраны в пакет с образованием каналов, и между соседними металлическими листами которого предусмотрены паяльные зазоры, по меньшей мере частично заполненные соединяющим эти металлические листы припоем. Согласно известному решению сотовый элемент из металлических листов обладает тем преимуществом, что при плавлении припоя в процессе пайки предварительное напряжение металлических листов в кожухе сохраняется. Еще одно преимущество предложенного сотового элемента заключается в том, что наличие выдавленных выступов улучшает смачивание металлических листов припоем.

Недостатком такого способа является наличие подрезов основного металла на границе шва, что резко уменьшает прочность паяного соединения и отрицательно сказывается на прочности и долговечности всей монолитной металлической структуры. Кроме того, применяемые в настоящее время дорогостоящие аморфные припои почти в два раза увеличивают стоимость металлической блочной конструкции.

Известны металлические блочные структуры, например блочные металлические носители катализатора для каталитических нейтрализаторов ОГ, которые свернуты в рулон или набраны в пакет по меньшей мере из частично структурированных металлических листов, конструкция которых для повышения эффективности катализатора и увеличения теплопереноса значительно меняется. Например, в патенте RU 2188325 С2, 27.08.2002 г., носитель имеет открытые передние участки, составляющие от 55 до 90% длины канала, и обеспечивает более эффективную теплопередачу, однако высокотемпературная сварка таких изделий значительно затруднена, а без таковой при высоком уровне вибрации в процессе эксплуатации использование конструкции практически невозможно. С целью повышения эффективности процесса обезвреживания ОГ ДВС в патенте RU 2182979 С2, 27.05.2002 г., предложена конструкция блочного носителя из гофрированной спирально смотанной ленты, причем осевые линии сопряженных впадин и гофр предыдущего и последующего слоев расположены под углом до 60°. Недостатком такой конструкции является повышение противодавления в выхлопной системе автомобиля и снижение прочности паяной конструкции.

Ближайшим известным аналогичным решением является способ изготовления монолитного сотового носителя для каталитических нейтрализаторов ОГ ДВС из металлической жаростойкой ленты, свернутой в блок путем наложения гладкой и гофрированной ее частей с образованием каналов, очистки металлической ленты с последующим соединением чередующихся слоев ленты друг с другом в монолитную конструкцию (RU 2135339 С1, 27.08.1999). Согласно этому способу монолитный сотовый носитель для каталитических нейтрализаторов ОГ ДВС представляет собой монолитную конструкцию в виде цилиндрического блока или блока с овальным сечением из соединенных друг с другом чередующихся гладкой и гофрированной металлических лент. Согласно известному способу очистку металлической ленты блока проводят в вакууме в специальной очистительной камере при подаче нагретого до 200°С инертного газа, а монолитность блоков достигается соединением чередующихся слоев между собой спеканием при температурах до 1200°С, затем блоки транспортируют в камеру охлаждения. Достоинством способа является непрерывность процесса, однако процесс требует изготовления специального дорогостоящего оборудования и наиболее эффективен для металлических лент, имеющих на поверхности минимальное количество жировых загрязнений. Сложность использования метода спекания для изготовления сотовой конструкции связана с качественным удалением жировых загрязнений из капилляров, образующихся между гладкой и гофрированной (структурированной) лентами в местах контакта при изготовлении блока. При изготовлении таких конструкций применение металлической ленты, содержащей на поверхности значительное количество жировых и механических загрязнений, резко усложняет процесс удаления жировых загрязнений вакуумированием, а механические включения (нагартовка), оставаясь на поверхности, приводят к изменению химического состава приповерхностного слоя сплава, что в свою очередь снижает жаростойкость и прочностные характеристики конструкции. Кроме того, большие объемы газовых выбросов, образующиеся в процессе обезжиривания в вакууме, требуют утилизации, т.е. дополнительного оборудования для дожита токсичных компонентов отходящих газов. В особенности процесс затрудняется при изготовлении блоков с количеством ячеек более 400 штук на кв.дюйм.

Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача предложить способ изготовления монолитного сотового носителя для каталитических нейтрализаторов ОГ ДВС, который позволил бы упростить технологию, повысить прочность монолитной сотовой конструкции, изготовить носитель, обладающий эффективным распределением плотности каналов по сечению носителя, и снизить себестоимость изделия.

Для решения поставленной задачи предложен настоящий способ изготовления монолитного сотового носителя для каталитических нейтрализаторов ОГ ДВС из металлической жаростойкой ленты, свертывания в блок путем наложения гладкой и гофрированной ее частей с образованием каналов, очистки металлической ленты блока химическим способом с применением ультразвука с последующим соединением чередующихся слоев ленты друг с другом в монолитную конструкцию путем диффузионной сварки в вакууме в диапазоне 5·10^-5-1·10 ^-5 мм рт.ст. при ступенчатом нагреве до температуры 1250+/-10°С и изотермической выдержке в течение 12-17 мин. Химическую обработку проводят в щелочном растворе при рН 11,5-12,5 при температуре 40-60°С с применением ультразвука с частотой 20-25 кГц.

Предложенный согласно настоящему изобретению монолитный сотовый носитель для каталитических нейтрализаторов ОГ ДВС, изготовленный вышеописанным способом, представляет собой монолитную конструкцию в виде цилиндрического блока или блока с овальным сечением из соединенных друг с другом чередующихся гладкой и гофрированной металлических лент, состоящий из параллельных каналов треугольной или трапециевидной формы с плотностью от 200 до 600 штук на кв. дюйм при различной плотности по сечению носителя. При этом носитель имеет следующую плотность каналов по сечению: - от центра 400 или 600 штук на кв. дюйм - в пределах от 0,55 до 0,7 диаметра цилиндрического блока или от 0,55 до 0,7 длины большой оси блока овального сечения - далее соответственно 200 или 400 штук на кв. дюйм.

Проведение очистки металлической ленты блока при помощи химической обработки с применением ультразвука позволяет достаточно легко удалить жировые загрязнения. Особенно большое значение имеет способность ультразвуковых колебаний проникать в узкие щели, поры, очистка которых другими методами не дает хороших результатов. Так как ультразвуковая очистка происходит в основном за счет механических колебаний, то состав рабочей жидкости имеет меньшее значение, чем при обычном химическом обезжиривании. Поэтому при использовании щелочных растворов концентрация их может быть значительно понижена, что позволяет использовать щелочные растворы с рН 11,5-12,5.

Диффузионное соединение металлических лент не требует дорогостоящих припоев, защищает металл от окисления при высоких температурах и повышает качество сварного шва при сварке в вакууме, тем самым обеспечивает высокое качество изделий, повышает их надежность, позволяет увеличить ресурс работы.

Существо предлагаемого способа изготовления монолитного металлического сотового носителя заключается в следующем.

Блочная конструкция - монолитный сотовый носитель - представляет собой гофрированную и гладкую стальную ленту марки Х23Ю5 (ГОСТ 12766.2-90), смотанную по спирали в цилиндрический блок, блок с овальным сечением или уложенную другим способом с предварительным напряжением в обечайку из нержавеющей листовой стали, например, марки Х18Н10Т, в результате чего образуется сотовая конструкция, состоящая из параллельных каналов треугольной или трапециевидной формы, с плотностью каналов по сечению носителя до 600 на кв.дюйм. Монолитный сотовый носитель подвергают химической обработке в щелочном растворе при рН 11,5-12,5 при температуре 40-60°С с применением ультразвука с частотой 20-25 кГц, промывают в дистиллированной воде и сушат на воздухе при температуре 100-120°С, что позволяет получить высокую степень очистки поверхности ленты, достаточную для проведения диффузионной сварки в вакууме.

Заявляемый способ позволяет снизить себестоимость монолитного металлического носителя за счет уменьшения количества используемого материала ленты, а соответственно снизить стоимость блочного катализатора и нейтрализатора в целом при сохранении его эффективности, а также повысить прочность металлической конструкции носителя, что позволит повысить ресурс работы нейтрализатора.

Эффективность предлагаемого способа высокотемпературной вакуумной сварки может быть проиллюстрирована следующими примерами, в которых исследовали образцы цилиндрических блочных носителей №1-3, обработанные и высушенные по методике описанной выше.

Размер образцов - диаметр 50 мм, высота - 90 мм.

Образцы 1, 2, 3, 4, 5 - Количество каналов по сечению блока: на расстоянии от центра, равном 0,55 диаметра - 400 штук на кв. дюйм, далее 200 штук на кв. дюйм;

Образец 6. Количество каналов по сечению блока: на расстоянии от центра, равном 0,55 диаметра - 600 штук на кв. дюйм, далее 400 штук на кв. дюйм.

Выбор оптимального температурного режима процесса диффузионной сварки для образцов №1-6 проводят в следующей последовательности:

- блок устанавливают на молибденовый стол вакуумной печи на равном удалении от нагревателей;

- в камере вакуумной печи создают вакуум не хуже 5х10^-5 мм рт.ст.;

- включали нагрев вакуумной печи;

- скорость нагрева устанавливают:

- в пределах температур от 20°С до 1000°С - 20°/мин

- в пределах температур от 1000°С до 1250°С - 10°/мин

- изотермическую выдержку проводят:

образец 1 - при температуре 1150°С - 15 мин,

образец 2 - при температуре 1200°С - 15 мин (по прототипу),

образцы 3 и 6 - при температуре 1250°С - 15 мин,

образец 4 - при температуре 1250°С - 20 мин,

образец 5 - при температуре 1250°С - 10 мин.

- нагрев печи отключают;

- охлаждение проводят в вакууме с естественной скоростью остывания печи до температуры 60°С, затем камеру печи открывают и изымают образец для проведения последующих операций.

Критерием качества конструкции является образование сварной зоны в местах контакта узлов конструкции. Исследование микроструктуры образцов в зоне соединения элементов сотовой конструкции проводят металлографическим методом на оптическом микроскопе "Neophot-21" при увеличении до 500^х.

Необходимо сразу отметить, что исследования качества сварного соединения образца 4 не было проведено, т.к. при визуальном осмотре было обнаружено нарушение блочной конструкции вследствие размягчения материала ленты.

При исследовании образцов 1, 2 (по прототипу) и 5 было выявлено, что в более чем 50% узлов свариваемые элементы не соприкасаются и соединения не произошло. В остальных случаях площадь контакта незначительна, т.к. сварная зона невелика по размеру (см. Иллюстрации, фиг.1, 2).

Исследование микроструктуры образцов 3 и 6 показало, что процесс сварки прошел в 100% узлов, причем сварная зона имеет значительные размеры с образованием общих зерен (см. Иллюстрации, фиг.3, 4).

Таким образом, оптимальным режимом вакуумной сварки для изготовления монолитного сотового носителя, согласно изобретению, является следующий режим: - температура от 1250+/-10°С, время выдержки - 12-17 мин., вакуум порядка 5·10^-5 -1·10^-5 мм рт.ст.

Для исследования эффективности комбинированной конструкции носителя были приготовлены полноразмерные образцы блочного металлического носителя овальной формы объемом 0,786 дм³, изготовленные по заявляемому способу:

Сравнительный образец - количество каналов по сечению 400 штук на кв. дюйм - Серийный нейтрализатор;

Образец А - количество каналов на расстоянии от центра, равном 0,7 длины большой оси блока овального сечения - 400 штук на кв. дюйм, далее 200 штук на кв. дюйм - Нейтрализатор №1;

Образец Б - количество каналов на расстоянии от центра, равном 0,55 длины большой оси блока овального сечения - 400 штук кв. дюйм, далее 200 штук кв. дюйм - Нейтрализатор №2;

Образец В - количество каналов на расстоянии от центра, равном 0,5 длины большой оси блока овального сечения - 400 штук кв. дюйм, далее 200 штук кв. дюйм - Нейтрализатор №3;

Образец Г - количество каналов на расстоянии от центра, равном 0,8 длины большой оси блока овального сечения - 400 штук кв. дюйм, далее 200 штук кв. дюйм - Нейтрализатор №4.

Каталитическое покрытие наносили на поверхность блочного носителя известным способом по патенту RU 2190470. Состав покрытия: Аl₂ О₃ - 20 мас.%, СеО₂ - 1,9 мас.%, Pt - 0,1 мас.%, Rh - 0,02 мас.%, остальное - сталь Х23Ю5.

Оценочные испытания нейтрализаторов проводили на автомобиле ВАЗ-2110 (объем двигателя - 1,5 л, система питания - распределенный впрыск) по Правилам ЕЭК ООН №83-04В, категория M1. Результаты испытания приведены в таблице. По результатам испытаний можно сделать вывод о том, что для снижения себестоимости носителя оптимальным является распределение плотности каналов блока в пределах от 0,55 до 0,7 диаметра цилиндрического блока или от 0,5 до 0,7 длины большой оси блока овального сечения. Увеличение плотности каналов до 0,8 длины большой оси блока овального сечения не влияет на эффективность нейтрализатора, а уменьшение менее 0,55 длины большой оси блока овального сечения резко снижает эффективность нейтрализатора.

Техническим результатом настоящего изобретения является упрощение технологии и повышение прочности монолитной сотовой конструкции, используемой в качестве блочного носителя для каталитических нейтрализаторов отработавших газов двигателей внутреннего сгорания.

Таблица Результаты испытаний.
Комплектация	Ездовой цикл	СО	CH+NOx
Нейтрализатор №1 и 4	Эффект нейтрализатора	93%	87%
Нейтрализатор №2	Эффект нейтрализатора	91,5%	85%
Нейтрализатор №3	Эффект нейтрализатора	81,5%	76%
Серийный нейтрализатоp	Эффект нейтрализатора	87%	90%
Примечание: - осредненные значения 3-4-х испытаний