УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
DEVICE FOR CLEANING EXHAUST GASES

Настоящее изобретение относится к устройству для очистки отработавших газов (ОГ) по меньшей мере с одним первым сотовым телом и одним вторым сотовым телом, которые выполнены с возможностью сквозного протекания отработавшего газа и расположены одно за другим в выпускном трубопроводе. Настоящее изобретение относится, прежде всего, к таким устройствам, в которых первое сотовое тело является электрически обогреваемым.
Для того чтобы ограничить выброс вредных веществ двигателей внутреннего сгорания (ДВС), прежде всего в автомобилях, давно применяются каталитические конвертеры для обезвреживания ОГ. Для того чтобы происходило каталитически поддерживаемое превращение вредных веществ, ОГ и/или каталитический конвертер должны иметь определенную минимальную температуру. Прежде всего, после холодного пуска или нового пуска ДВС эта минимальная температура еще не достигнута. Поэтому предпринимаются попытки повысить температуру ОГ и/или каталитического конвертера с помощью действующих электрически нагревательных элементов.
Из WO 92/13636 А1 известна, например, система сотовых тел с несколькими, опирающимися один на другой дисками. При этом система сотовых тел имеет по меньшей мере два диска, которые разнесены друг от друга и один за другим пронизываются потоком ОГ. Для соединения дисков друг с другом около оси расположены опорные штифты.
Кроме того, в WO 96/10127 А1 показано электрически обогреваемое сотовое тело, которое посредством опорных штифтов и расположенных на боковой поверхности сотового тела опорных элементов крепится на втором, расположенном ниже по потоку, сотовом теле.
Обогреваемое сотовое тело должно быть специально адаптировано к выпускному трубопроводу в отношении формы и размера для каждой модели автомобиля. Таким образом, требуется много вариантов, прежде всего, в связи с согласованием обоих сотовых тел друг с другом, и адаптация к системе выпуска ОГ. При этом релевантными критериями расчета являются, например, вид и положение опорных штифтов, электрическое контактирование, электрическая изоляция, характеристики потока ОГ, термическое разъединение с остальной системой, и многое другое. Поэтому обеспечение таких нагревательных систем связано с повышенными затратами и/или повышенной трудоемкостью монтажа и/или повышенной стоимостью изготовления.
Поэтому задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы по меньшей мере частично решить известные из уровня техники проблемы. Прежде всего, задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить устройство для указанной вначале цели применения, с помощью которого обогреваемое сотовое тело может быть применено во множестве различных моделей автомобилей.
Эти задачи решены посредством устройства согласно признакам п. 1 и/или п. 2 формулы изобретения. Другие благоприятные варианты осуществления изобретения указаны в  соответственно сформулированных как зависимые пунктах формулы изобретения. Следует указать на то, что приведенные в зависимых пунктах отдельно признаки могут быть комбинированы друг с другом любым, технологически рациональным образом, и определяют дополнительные варианты осуществления изобретения. Кроме того, указанные в формуле изобретения признаки уточняются и поясняются в описании, причем представляются дополнительные предпочтительные варианты осуществления изобретения.
Задачи решены, прежде всего, посредством устройства для очистки ОГ, содержащего по меньшей мере первое выполненное с возможностью сквозного протекания ОГ сотовое тело и второе выполненное с возможностью сквозного протекания ОГ сотовое тело, расположенные одно за другим в выпускном трубопроводе, причем площадь поперечного сечения первого сотового тела меньше, чем площадь поперечного сечения второго сотового тела, первое сотовое тело расположено в выпускном трубопроводе эксцентрично, и снаружи на боковой поверхности первого сотового тела закреплен по меньшей мере один опорный штифт, который вдается во второе сотовое тело и таким образом механически соединяет друг с другом первое сотовое тело и второе сотовое тело.
Первое сотовое тело и второе сотовое тело, прежде всего, соответственно, имеют каналы, проходящие между входной стороной и выходной стороной, по которым ОГ проходят через сотовое тело от входной стороны к выходной стороне. При этом сотовые тела могут быть известным способом экструдированы из керамики и образованы из одного или нескольких стопок металлических листов, которые были скручены или смотаны в сотовое тело с каналами. Каналы могут проходить, например, трубообразно, но также является возможным, что они выполнены разветвленными, изогнутыми, продольно изогнутыми или тому подобное. Также может быть, что по меньшей мере часть каналов имеет отверстия, так что внутри сотового тела делается возможным газообмен. Кроме того, является возможным, что сотовое тело образует узкие места, расширения, направляющие поверхности для потока или тому подобное по меньшей мере в части каналов, так что тем самым происходит оказание влияния на характеристики потока ОГ и/или на содержащиеся в нем частицы.
Предпочтительно первое сотовое тело является электрически обогреваемым сотовым телом, которое, как правило, в направлении потока ОГ расположено перед вторым сотовым телом, т.е. контактирует с ОГ или же пронизывается потоком ОГ первым.
Второе сотовое тело само не является электрически обогреваемым или же не пронизывается электрическим током. Таким образом, первое сотовое тело электрически изолировано от второго сотового тела. Прежде всего, первое сотовое тело и второе сотовое тело образуются отдельными деталями (например, слоями листов металла). Кроме того, является предпочтительным, чтобы лицевые стороны (входная сторона и выходная сторона) были плоскими или ровными, так чтобы можно было использовать (одинаковые) опорные штифты для установки желательного удаления друг от друга. Кроме того, является предпочтительным, чтобы листовые слои сотовых тел, соответственно, обоими концами и по всей осевой длине сотовых тел прилегали к образующей корпус конструктивной детали.
Прежде всего, первая длина первого сотового тела в направлении потока существенно меньше, прежде всего, максимально 1/3 или даже максимально 1/5, чем вторая длина второго сотового тела в направлении потока. В случае с керамическим сотовым телом обогреваемость реализуется, прежде всего, за счет того, что в керамике внедрен электропроводящий материал. В случае с металлическими сотовыми телами ток подводится прямо на металлические листовые слои. Таким образом при эксплуатации поток ОГ проходит через первое сотовое тело, в результате чего оно нагревается, а затем попадает во второе сотовое тело.
Второе сотовое тело, как правило, имеет каталитическое покрытие, при поддержке которого преобразуются вредные вещества в ОГ. В этом случае первое сотовое тело может быть активировано целенаправленно, чтобы установить подходящую для этой каталитической реакции температуру. Сотовое тело также может иметь функцию фильтрации или функцию улавливания частиц, причем произведенная в первом сотовом теле тепловая энергия может быть использована для регенерации. Также возможно, что второе сотовое тело является адсорбером, который в заданных температурных пределах накапливает и высвобождает компоненты ОГ. При этом первое сотовое тело могло бы быть активировано целенаправленно, чтобы соответствующим образом влиять на это поведение.
Под площадью поперечного сечения сотовых тел, соответственно, подразумевается поверхность сотового тела поперек направления потока и, прежде всего, поперек направления (трубчатых или же проходящих прямолинейно) каналов в сотовом теле. При этом площадь поперечного сечения, прежде всего, является поверхностью, которая перекрывается образующим каналы материалом и самими каналами. Таким образом, при круглом поперечном сечении сотового тела площадь поперечного сечения является круглой поверхностью, которая перекрывается всем сотовым телом. При этом первое сотовое тело имеет меньшую площадь поперечного сечения, чем второе сотовое тело, причем, прежде всего, была создана степень свободы для выравнивания первого сотового тела относительно второго сотового тела.
Кроме того, первое сотовое тело расположено в выпускном трубопроводе эксцентрично. Это, прежде всего, означает, что первая центральная ось первого сотового тела смещена относительно центральной оси выпускного трубопровода в том месте, в котором расположено первое сотовое тело, причем первая центральная ось первого сотового тела и центральная ось выпускного трубопровода по существу параллельны. Другими словами, это, прежде всего, означает, что первое сотовое тело не полностью перекрывает выпускной трубопровод, и выпускной трубопровод не осесимметрично частично покрыт первым сотовым телом. Однако является предпочтительным, чтобы второе сотовое тело полностью перекрывало выпускной трубопровод и/или чтобы второе сотовое тело было расположено по центру в выпускном трубопроводе. За счет того, что первое сотовое тело расположено в выпускном трубопроводе не по центру, одна единственная форма этого первого сотового тела может быть комбинирована с множеством различных конструктивных вариантов выпускных трубопроводов и/или вторых сотовых тел без большой трудоемкости монтажа.
Описанные выше задачи также решаются в устройстве для очистки ОГ, содержащем по меньшей мере первое выполненное с возможностью сквозного протекания ОГ сотовое тело и второе выполненное с возможностью сквозного протекания ОГ сотовое тело, расположенные одно за другим и соединенные друг с другом, причем площадь поперечного сечения первого сотового тела меньше, чем площадь поперечного сечения второго сотового тела, первое сотовое тело расположено эксцентрично относительно второго сотового тела, и снаружи на боковой поверхности первого сотового тела закреплен по меньшей мере один опорный штифт, который вдается во второе сотовое тело и таким образом механически соединяет друг с другом первое сотовое тело и второе сотовое тело.
При этом может быть предусмотрено несколько опорных штифтов, например, 2, 3, 4, 5 или 6, причем явно большего множества опорных штифтов с учетом затрат на изготовление следует избегать. Под боковой поверхностью имеется в виду, прежде всего, параллельная направлению потока ОГ внешняя поверхность первого сотового тела (не внутри каналов, а, например, заодно ограничивающая щель). Опорные штифты предпочтительно электрически изолированы от первого сотового тела или от второго сотового тела. Предпочтительно опорные штифты приварены и/или припаяны на боковой поверхности первого сотового тела. Кроме того, они могут быть введены в каналы второго сотового тела и/или зафиксированы сваркой/пайкой. Один или несколько опорных штифтов могут быть закреплены на боковой поверхности первого сотового тела, прежде всего, так, что они дополнительно для закрепления закрепляют сотовое тело еще и радиально относительно выпускного трубопровода (например, посредством расположения в пространстве щели). Посредством опорных штифтов первое сотовое тело удерживается в выпускном трубопроводе. За счет того, что опорные штифты закреплены снаружи на боковой поверхности, обеспечена простая установка на первом сотовом теле. Посредством опорных штифтов первое сотовое тело может быть соединено с множеством различных вторых сотовых тел.
Преимуществом крепления опорных штифтов на наружной боковой поверхности первого сотового тела является то, что это, одновременно с механическим соединением двух сотовых тел между собой, обеспечивает расположение первого (меньшего) сотового тела на заданном расстоянии от внутренней поверхности выпускного трубопровода. Соответственно, технические результаты, достигаемые при осуществлении изобретения, заключаются в упрощении сборки устройства для очистки ОГ и повышении точности позиционирования первого сотового тела относительно выпускного трубопровода.
Таким образом, это устройство относится не только к вмонтированной в выпускной трубопровод системе конструктивных деталей, но, при определенных условиях, уже к изделию, которое уже вне выпускного трубопровода имеет соответствующее нецентральное расположение обоих сотовых тел. Здесь первое сотовое тело и второе сотовое тело предпочтительно ориентированы одинаково, но расположены осепараллельно. Первое сотовое тело имеет центральную ось, которая, прежде всего, указывает в направлении проточных каналов и, прежде всего, также образует ось симметрии первого сотового тела. Далее, второе сотовое тело имеет вторую центральную ось, которая, прежде всего, указывает в направлении своих проточных каналов и предпочтительно образует ось симметрии второго сотового тела. Первая центральная ось первого сотового тела и вторая центральная ось второго сотового тела параллельно смещены относительно друг друга. Первое сотовое тело и второе сотовое тело зафиксированы в своем положении относительно друг друга, прежде всего, соответствующими фиксирующими средствами. Этими фиксирующими средствами могут быть, например, опорные штифты, крепежная структура или тому подобное, которые прямо и/или опосредованно соединены с обоими сотовыми телами. Прежде всего, фиксирующие средства могут вдаваться в оба сотовых тела (или же их каналы) и/или по меньшей мере закреплены на внешней стороне одного из сотовых тел. Также возможно, что фиксирующие средства соединены с сотовым телом и/или его принадлежностями (электроды, изоляторы, корпус и т.д.). Предпочтительно фиксирующие средства электрически изолируют первое сотовое тело от второго сотового тела.
Совершенно особо предпочтительным является, чтобы первое сотовое тело, как относительно выпускного трубопровода, так и относительно второго сотового тела было расположено эксцентрично (другими словами также со смещением от центра и/или поперек).
Кроме того, также является предпочтительным, чтобы проекция первой площади поперечного сечения первого сотового тела (в направлении первой и/или второй центральной оси) лежала полностью во второй площади поперечного сечения второго сотового тела. Тем самым достигается пропорция перекрытия, которая по существу соответствует отношению обеих площадей поперечного сечения.
Также является предпочтительным, чтобы удаление выходной стороны первого сотового тела от входной стороны второго сотового тела было меньше, чем протяженность одного из сотовых тел в направлении центральной оси. Прежде всего, это удаление меньше, чем протяженность самого узкого сотового тела этой системы в направлении центральных осей. Совершенно особенно предпочтительно это удаление менее чем 50 мм (миллиметров) или даже менее чем 20 мм.
Согласно одному благоприятному усовершенствованию первое сотовое тело посредством сварного соединения или паяного соединения закреплено в выпускном трубопроводе и соединено с выпускным трубопроводом электропроводящим образом.
В отношении выполнения сварного соединения/паяного соединения следует, прежде всего, отметить, что оно является, прежде всего, коррозионностойким и стойким к высоким температурам. Поэтому паяное соединение получают, прежде всего, так называемым способом твердой пайки.
Выполнение сварного соединения/паяного соединения может быть быстро реализовано простыми техническими средствами и поэтому является предпочтительным. Тем не менее, могут быть выбраны и другие подходящие сплошные соединения (все соединения, при которых партнеры по соединению удерживаются вместе за счет атомарных и/или молекулярных сил; преимущественно, они одновременно являются неразъемными соединениями, которые поддаются разъединению только посредством разрушения соединительных средств).
Кроме того, это, прежде всего, означает, что первое сотовое тело по меньшей мере в одной точке или, прежде всего, вдоль линии (непосредственно) прилегает к выпускному трубопроводу. Является совершенно особенно предпочтительным, чтобы было предусмотрено именно одно единичное сварное соединение или паяное соединение. Посредством сварного соединения или паяного соединения также происходит электрическое контактирование первого сотового тела. Посредством электропроводящего соединения с выпускным трубопроводом первое сотовое тело предпочтительно соединено с (электрической) массой. Поскольку первое сотовое тело расположено в выпускном трубопроводе эксцентрично, на противолежащей сварному соединению/паяному соединению стороне образовано расстояние или же щель между выпускным трубопроводом и первым сотовым телом. При круглом в поперечном сечении выпускном трубопроводе и круглом первом сотовом теле образуется в поперечном сечении примерно серповидная щель между первым сотовым телом и выпускным трубопроводом. Посредством сварного соединения/паяного соединения в одной точке или на одной линии сотовое тело, которое, например, меньше, чем обычный выпускной трубопровод, может быть просто закреплено на многих моделях автомобилей. Соединение посредством простой сварной точки или одного простого спая делает возможным явно более благоприятное серийное изготовление, так как можно отказаться от отдельного электрода для этого массового контакта.
Кроме того, предпочтительно между первым сотовым телом и выпускным трубопроводом образована щель, причем щель образует проточное отверстие. Предпочтительно образовано именно одно единичное проточное отверстие, которое, при необходимости, пронизывается (только) (по меньшей мере) одним электрическим контактом. Тем самым также имеется в виду, что возникшая в результате эксцентричного расположения первого сотового тела в выпускном трубопроводе щель не заполнена наполнительным материалом, крепежным материалом, структурами направления потока, уплотнением или чем-либо подобным. Таким образом, часть потока ОГ проходит не через первое сотовое тело, а может протекать через щель мимо первого сотового тела. Тем самым щель образует что-то типа байпаса для первого сотового тела. Насколько это возможно, эта щель может быть ориентирована относительно выпускного трубопровода так, что она будет расположена, например, в тени потока предшествующего изгиба, расширения и т.п. выпускного трубопровода, и поэтому байпасный поток может поддерживаться незначительным; но это не является необходимым.
Также является предпочтительным, чтобы между первым сотовым телом и выпускным трубопроводом была образована щель с зависимой от угла шириной, и первое сотовое тело было соединяемым с источником тока посредством по меньшей мере одного электрического проводника, пропущенного через выпускной трубопровод и электрически изолированного от последнего, причем по меньшей мере один электрический проводник простирается через щель. Электрический проводник (предпочтительно единственный проводник) может быть образован проволокой или имеющим соответствующую форму металлическим материалом, например, по типу электрода (см., например, указанный вначале уровень техники).
Ширина щели - это, прежде всего, расстояние между первым сотовым телом и выпускным трубопроводом, причем расстояние измеряется в поперечном сечении, исходя из первой центральной оси первого сотового тела в радиальном направлении. Поскольку первое сотовое тело расположено в выпускном трубопроводе эксцентрично, ширина щели не является одинаковой во всех направлениях, исходя из первой центральной оси. Напротив, ширина щели изменяется, исходя из опорного направления с изменяющимся углом к опорному направлению. Электрический проводник, окруженный электрической изоляцией, проводится через выпускной трубопровод, так что на первое сотовое тело через электрический проводник является подводимым электрический потенциал или же ток. К тому же ток течет через сварное соединение/паяное соединение через первое сотовое тело. Прежде всего, электрический проводник проводится прямолинейно в радиальном направлении от первого сотового тела через щель. Электрический проводник, прежде всего, проводится через щель, в месте, в котором ширина щели составляет по меньшей мере 1 см (сантиметр) или даже по меньшей мере 1,5 см, но предпочтительно не более чем 3 см, особенно предпочтительно не более чем 2 см. За счет того, что электрический проводник проводится через выпускной трубопровод не на сварном соединении/паяном соединении и/или непосредственно поблизости от сварного соединения/паяного соединения, электрический проводник также может действовать в качестве (радиальной) контропоры для первого сотового тела.
Для случая, если первое сотовое тело образует несколько (отдельно регулируемых или же отдельно активируемых) путей тока, предпочтительным является следующее электрическое контактирование. В устройстве первое сотовое тело посредством нескольких электрических проводников в каждом случае является соединяемым с источником тока, причем электрические проводники в области одинаковых ширин щели соединены с первым сотовым телом. Прежде всего, может быть предусмотрено 2, 3 или 4 таких электрических проводников (и тем самым также отдельно регулируемых или же отдельно активируемых путей тока в первом сотовом теле). Электрические проводники расположены, прежде всего, в (общей) плоскости поперек направления потока между первым сотовым телом и выпускным трубопроводом, причем электрические проводники расположены не непосредственно рядом друг с другом, а предпочтительно зеркально-симметрично относительно зеркальной оси через сварное соединение или паяное соединение. Таким образом, первое сотовое тело, наряду с соединением на сварном соединении/паяном соединении в нескольких симметрично расположенных местах двумя электрическими проводниками удерживается в выпускном трубопроводе. Так как в этих областях также (по меньшей мере парами) имеются одинаковые ширины щели, затраты на изготовление или же многообразие вариантов для электрических проводников могут быть уменьшены еще больше.
Кроме того, является особенно предпочтительным, чтобы по меньшей мере первое сотовое тело или второе сотовое тело образовывало по меньшей мере одной витой или завернутой стопкой, состоящей из по меньшей мере частично структурированных листовых слоев, выполненные с возможностью сквозного протекания, т.е. проточные каналы. (Металлические) листовые слои, при необходимости, также образуют (по меньшей мере в первом сотовом теле) токопроводящую структуру, по которой течет порождающий тепло ток. Листовые слои являются, прежде всего, металлической фольгой. Листовые слои также могут образовывать каналы лишь частично, например, если они вделаны в другой материал стенок каналов.
Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается набор, состоящий из первого сотового тела с первой площадью поперечного сечения и нескольких вторых сотовых тел с отличающимися друг от друга вторыми площадями поперечного сечения, которые, соответственно, больше, чем первая площадь поперечного сечения, и при этом первое сотовое тело и вторые сотовые тела пригодны к применению в устройстве согласно изобретению. Таким образом, согласно изобретению требуется только один единичный конструктивный вариант первого сотового тела, которое может быть комбинировано, эксцентрично позиционировано и встроено в соответствующие выпускные трубопроводы. Следовательно, должно быть выбрано лишь только второе сотовое тело по заданным параметрам системы выпуска ОГ, причем может иметь место независимая, экономичная комбинация с (малым) первым сотовым телом из набора.
Согласно еще одному аспекту изобретения предлагается автомобиль с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) и системой выпуска ОГ, причем в системе выпуска ОГ выполнено предлагаемое в изобретении устройство, в котором первое сотовое тело является электрически обогреваемым посредством контрольного устройства.
По конкретному выполнению или же функционированию электрически обогреваемого сотового тела можно вернуться к содержанию раскрытия указанных вначале документов, прежде всего, в отношении электрических деталей по виду выработки тепла, выполнению путей тока и электрической изоляции, расчету электрических сопротивлений и тому подобного.
Далее изобретение, а также технический контекст поясняются более детально на фигурах. Следует указать на то, что на фигурах показаны особенно предпочтительные варианты осуществления изобретения, однако ими оно не ограничено. Схематически показано на:
Фиг. 1: автомобиль с устройством для очистки ОГ.
Фиг. 2: конструктивная форма устройства для очистки ОГ в продольном разрезе.
Фиг. 3: конструктивная форма устройства для очистки ОГ в поперечном разрезе.
ПЕРЕЧЕНЬ ССЫЛОЧНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
1
устройство
2
первое сотовое тело
3
второе сотовое тело
4
выпускной трубопровод
5
первая площадь поперечного сечения
6
вторая площадь поперечного сечения
7
сварное соединение
8
щель
9
проточное отверстие
10
ширина щели
11
электрический проводник
12
источник тока
13
боковая поверхность
14
опорный штифт
15
стопка
16
листовой слой
17
канал
18
автомобиль
19
ДВС
20
система выпуска ОГ
21
контрольное устройство
22
датчик
23
направление потока
24
изолятор
25
первая центральная ось
26
вторая центральная ось
27
выступ
28
оболочка
29
центральная ось
30
входная сторона
31
выходная сторона
32
расстояние
33
конец
34
длина