СОТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ С ПО МЕНЬШЕЙ МЕРЕ ЧАСТИЧНО КЕРАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРОЙ И С ОТВЕРСТИЕМ ПОД ДАТЧИК И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО СОТОВОГО ЭЛЕМЕНТА
CELLULAR ELEMENT WITH CERAMIC STRUCTURE AND ORIFICE FOR SENSOR AND PROCEDURE FOR FABRICATION OF SUCH CELLULAR ELEMENT

Настоящее изобретение относится к сотовому элементу, имеющему по меньшей мере частично керамическую проточную для текучей среды сотовую структуру, которая имеет полости и расположена в трубчатом кожухе. Подобный сотовый элемент используется преимущественно в системе выпуска отработавших газов (ОГ), которой оснащается транспортное средство, прежде всего в качестве носителя каталитического нейтрализатора или фильтра. Изобретение относится также к способу изготовления соответствующего сотового элемента.
Сотовые элементы обычно имеют металлическую или же керамическую сотовую структуру. Такие сотовые элементы используются в системах выпуска ОГ, которыми оснащаются транспортные средства, например автомобили, в том числе, в частности, и в качестве носителей каталитических нейтрализаторов или фильтров. Во многих странах мира действуют законодательно установленные нормы на предельно допустимое содержание определенных компонентов в ОГ автомобилей. Обычно соблюдение подобных норм на токсичность ОГ возможно лишь за счет каталитической нейтрализации ОГ, образующихся при работе двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Особо высокой скорости превращения определенных компонентов ОГ, необходимость в обеспечении которой постоянно возрастает, можно добиться лишь за счет увеличения площади реакционной поверхности, с которой контактируют ОГ. Поэтому во избежание увеличения в этих целях размеров сотовых элементов до слишком больших значений существует тенденция к созданию сотовых элементов с исключительно высокой плотностью расположения в них полостей, т.е. сотовых элементов с большим общим количеством полостей или большим удельным количеством полостей, приходящимся на единицу площади поперечного сечения сотового элемента. Однако увеличение плотности расположения полостей в сотовых элементах неизбежно влечет за собой утонение ограничивающих такие полости стенок, толщина которых оказывается гораздо меньше, чем у сотовых элементов с меньшей плотностью расположения в них полостей. Одновременно с этим для соблюдения законодательно установленных норм на токсичность ОГ многие системы выпуска ОГ требуют подачи регулирующих воздействий в систему управления двигателем, для чего необходимо анализировать состав ОГ с помощью датчика, встроенного в систему выпуска ОГ. Так, например, в системе выпуска ОГ часто используются кислородные датчики (лямбда-зонды), позволяющие получать информацию о соотношении между воздухом и топливом в рабочей смеси.
Однако именно в случае керамических сотовых структур интегрирование в них кислородного или любого иного датчика приводит к снижению их прочности, поскольку в некотором месте сотовой структуры требуется выполнять гнездо или углубление под устанавливаемый в него датчик. Однако в общем случае подобное изначальное снижение прочности сотовой структуры приводит прежде всего при соединении трубчатого кожуха с сотовой структурой с силовым и/или геометрическим замыканием к дальнейшему повреждению сотовой структуры из-за уже ее сниженной прочности. Поскольку при применении сотового элемента в системе выпуска ОГ в ней постоянно протекают процессы нагрева и охлаждения, которыми обусловлено возникновение в сотовом элементе слишком высоких температурных градиентов и/или тепловых переходных процессов, постоянно изменяющиеся вследствие влияния указанных факторов, усилия, прикладываемые к сотовой структуре снаружи со стороны трубчатого кожуха, вызывают медленное ее дальнейшее разрушение.
В основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере уменьшить остроту проблем, присущих известным из уровня техники решениям, и прежде всего разработать сотовый элемент, у которого соединение трубчатого кожуха с сотовой структурой несмотря на наличие в ней гнезда под датчик обеспечивало бы надежное закрепление сотовой структуры в трубчатом кожухе и помимо этого исключало бы возможность постепенного повреждения сотовой структуры в последующем, а также разработать способ изготовления такого сотового элемента.
Указанные задачи решаются согласно изобретению с помощью сотового элемента и способа его изготовления, заявленных в соответствующих независимых пунктах формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
Предлагаемый в изобретении сотовый элемент предназначен прежде всего для применения в системе выпуска отработавших газов, которой оснащается транспортное средство. Предлагаемый в изобретении сотовый элемент имеет по меньшей мере частично керамическую проточную для текучей среды сотовую структуру, которая расположена в трубчатом кожухе и имеет полости. Сотовый элемент в продольном направлении подразделен по меньшей мере на два осевых отдельных участка, причем на по меньшей мере одном осевом крепежном участке сотовая структура соединена с трубчатым кожухом, на по меньшей мере одном осевом участке размещения датчика в сотовой структуре выполнено гнездо под по меньшей мере один датчик, а трубчатый кожух и сотовая структура соединены между собой таким образом, чтобы удерживающие усилия, передаваемые на сотовую структуру на крепежном участке, были больше удерживающих усилий, передаваемых на сотовую структуру на участке размещения датчика.
Важная отличительная особенность предлагаемого в изобретении сотового элемента состоит прежде всего в том, что его сотовая структура соединена с трубчатым кожухом только на крепежном участке. Еще одно преимущество предлагаемого в изобретении сотового элемента состоит в отсутствии непосредственного соединения между трубчатым кожухом и сотовой структурой на участке размещения датчика. В данном контексте под транспортным средством подразумевается прежде всего автомобиль, например легковой или грузовой автомобиль, двухколесное транспортное средство с двигателем, квадроцикл, малое судно и/или летательный аппарат. Согласно настоящему изобретению по меньшей мере частично керамическая сотовая структура может также иметь металлические компоненты, например металлические усиливающие или проводящие элементы, заделанные в керамические стенки. Предпочтительны сотовые структуры, изготавливаемые экструзией. Сотовая структура может иметь стенки, не проницаемые для текучей среды, например для ОГ, и поэтому проточными для текучей среды в такой сотовой структуре являются имеющиеся в ней полости, например каналы. Вместе с тем по меньшей мере часть стенок можно выполнять и из пористого материала, прежде всего из пористой керамики. По меньшей мере некоторые полости в сотовой структуре могут быть также выполнены глухими или закрытыми с одной стороны. Предлагаемый в изобретении сотовый элемент пригоден прежде всего для применения в качестве носителя каталитического нейтрализатора или фильтра, наиболее предпочтительно в качестве фильтра для удаления твердых частиц из ОГ дизельных двигателей.
В предпочтительном варианте трубчатый кожух имеет отверстие, позволяющее пропустить через него датчик при его установке в гнездо в сотовой структуре. Размеры этого отверстия предпочтительно должны быть в основном идентичны размерам предусмотренного в сотовой структуре гнезда под датчик. Помимо этого предпочтительно также предусматривать средства для закрепления, прежде всего газонепроницаемого закрепления, датчика в сотовом элементе, прежде всего резьбу, взаимодействующую с резьбой на датчике.
У предлагаемого в изобретении сотового элемента предусмотренное в сотовой структуре гнездо, в которое можно поместить или вставить датчик, хотя и ослабляет сотовую структуру или снижает ее прочность, однако не может служить причиной постоянно продолжающегося процесса разрушения или повреждения сотовой структуры при эксплуатации сотового элемента, поскольку сотовая структура (жестко) соединена с трубчатым кожухом только на крепежном участке. На этом крепежном участке трубчатый кожух и сотовая структура могут быть соединены между собой прежде всего с силовым и/или геометрическим замыканием и/или присадочным материалом, соответственно за счет сил молекулярного сцепления. Помимо этого между трубчатым кожухом и сотовой структурой согласно изобретению можно предусмотреть промежуточный элемент, который прежде всего может также опосредованно соединять их между собой. При этом речь может идти, например, о набухающем мате. Набухающий мат состоит преимущественно из смеси различных керамических волокон и минеральных материалов, которые для упрощения оперирования с ними при необходимости скрепляют бумажными волокнами. В качестве минеральных компонентов в набухающий мат вводят, например, частицы вермикулита. Вермикулит представляет собой слоистый силикат, который благодаря своей способности к обратимой водоотдаче расширяется при повышении температуры и обеспечивает в результате изменение толщины набухающего мата. Подобное свойство вермикулита можно использовать прежде всего для активного закрепления или зажима сотовой структуры в трубчатом кожухе при повышении рабочей температуры. В результате при соединении трубчатого кожуха и сотовой структурой между собой с силовым и/или геометрическим замыканием оно сохраняется также при повышенных температурах, например при рабочей температуре носителя каталитического нейтрализатора. Предлагаемый в изобретении сотовый элемент обладает высокой надежностью в работе без опасности повреждения его сотовой структуры даже в течение длительного периода времени, поскольку удерживающие усилия, обеспечивающие соединение между собой трубчатого кожуха и сотовой структуры, передаются на нее преимущественно только на крепежном участке.
В одном из предпочтительных вариантов выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента он имеет осевой уплотнительный участок, на котором между сотовой структурой и трубчатым кожухом предусмотрено уплотнение.
Такое уплотнение эффективно предотвращает движение потока ОГ в обход сотовой структуры. Наиболее предпочтительно использовать уплотнение, которое уплотняет промежуток между сотовой структурой и трубчатым кожухом по всей их окружности. В этом случае уплотнение предпочтительно выполнять сплошным по всей окружности. Для применения в качестве уплотнения пригодны прежде всего мат из керамических волокон, набухающий мат и/или слюда. В особенно предпочтительном варианте уплотнение в основном не должно опосредованно соединять между собой трубчатый кожух и сотовую структуру на уплотнительном участке с силовым и/или геометрическим замыканием. Однако согласно изобретению на этом участке можно также предусмотреть соединение между собой трубчатого кожуха и сотовой структуры, но лишь настолько слабое, чтобы усилия, возникающие при нагреве выполненного в виде уплотнения набухающего мата, были исключительно малыми и не могли привести к повреждению сотовой структуры на уплотнительном участке и/или на участке размещения датчика.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента участок размещения датчика расположен в продольном направлении сотового элемента между уплотнительным участком и крепежным участком. Уплотнительный участок наиболее целесообразно располагать в зоне торца сотового элемента.
Благодаря наличию уплотнительного участка особо эффективно предотвращается движение потока ОГ в обход сотовой структуры, что могло бы привести к нежелательному снижению степени превращения содержащихся в ОГ вредных веществ в передней торцовой части сотового элемента по сравнению со степенью их превращения в задней по ходу потока ОГ части сотового элемента. В этом отношении уплотнительный участок предпочтительно снабжать защитой от выдувания в направлении торца сотового элемента. Такая защита от выдувания необходима для предотвращения растрепывания волокнистого материала, расположенного на уплотнительном участке. Подобное растрепывание волокнистого материала может произойти, например, при набегании на торец уплотнительного участка интенсивно пульсирующего потока ОГ. Защита от выдувания может быть образована, например, тонкой фольгой, охватывающей торцовый конец или край уплотнительного участка и предпочтительно неразъемно соединенной с ним. Согласно изобретению защиту от выдувания и уплотнительный участок можно также соединять между собой с силовым и/или геометрическим замыканием. Для этого, например, между защитой от выдувания и уплотнительным участком можно выполнить отбортовку или иной механически скрепляющий их друг с другом элемент. Защиту от выдувания наиболее предпочтительно располагать в зоне входного торца сотового элемента.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента его сотовая структура и трубчатый кожух соединены между собой соединением по меньшей мере одного из следующих типов:
а) соединением с силовым замыканием,
б) соединением с геометрическим замыканием или
в) соединением присадочным материалом, соответственно соединением за счет сил молекулярного сцепления.
В данном случае трубчатый кожух и сотовую структуру предпочтительно соединять между собой на крепежном участке с силовым или же с геометрическим замыканием по посадке с натягом. Между сотовой структурой и трубчатым кожухом по меньшей мере на крепежном участке предпочтительно при этом располагать набухающий мат.
При создании изобретения было установлено, что трубчатый кожух и сотовую структуру наиболее предпочтительно соединять между собой таким образом, чтобы передаваемые на сотовую структуру на крепежном участке удерживающие или опорные усилия были больше, предпочтительно значительно больше, удерживающих или опорных усилий, возможно передаваемых на сотовую структуру на уплотнительном участке и/или участке размещения датчика. Сказанное относится прежде всего и к среднему удерживающему усилию, усредненному по возможному интервалу температур, до которых нагревается сотовый элемент. Подобное соединение при любой температуре в указанном интервале, верхний предел которого в предпочтительном варианте достигает 900°С, должно прежде всего исключать возможность снижения удерживающего усилия на крепежном участке до величины, меньшей удерживающего усилия на уплотнительном участке и/или участке размещения датчика или равной этому удерживающему усилию. Предпочтительно далее такое соединение между трубчатым кожухом и сотовой структурой, при котором отношение величины удерживающего усилия на крепежном участке к величине удерживающего усилия на уплотнительном участке и/или на участке размещения датчика больше или равно 1,5, предпочтительно больше или равно 2, наиболее предпочтительно больше или равно 3 или даже 4. Указанные значения предпочтительно должны относится и к средним удерживающим усилиям, усредняемым по осевому направлению, радиальному направлению и/или окружному направлению или же по некоторому температурному интервалу, предпочтительно по интервалу температур, до которых сотовый элемент нагревается в процессе эксплуатации в системе выпуска ОГ, которой оснащено транспортное средство.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента на крепежном участке трубчатый кожух и сотовая структура соединены между собой на осевых и/или окружных отдельных участках.
В соответствии с этим вариантом трубчатый кожух не обязательно должен быть соединен с сотовой структурой на всем крепежном участке. При этом трубчатый кожух может быть соединен с сотовой структурой как на окружных, так и на осевых отдельных участках. Для образования таких отдельных участков соединения трубчатого кожуха с сотовой структурой можно прежде всего выполнить трубчатый кожух на соответствующих отдельных участках с меньшим внутренним диаметром, чем на других его отдельных участках, или же расположенный между трубчатым кожухом и сотовой структурой мат можно выполнить с отдельными участками, различающимися между собой своими характеристиками набухания или же своей толщиной. Альтернативно этому и/или дополнительно к этому предпочтительно далее выполнять соответствующие участки сотовой структуры большего наружного диаметра.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента между его сотовой структурой и трубчатым кожухом по меньшей мере на одном отдельном участке расположен гибкий и/или упругий мат.
При этом в предпочтительном варианте речь может идти о набухающем мате, волокнистом мате, прежде всего из керамических волокон, и/или содержащем слюду мате.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента между сотовой структурой и трубчатым кожухом по меньшей мере на одном отдельном участке расположен набухающий мат, мат из керамических волокон и/или промежуточный слой из слюды.
В этом варианте, в частности, вся сотовая структура может быть обернута матом, который соответственно имеет отдельный участок, соответствующий крепежному участку. На этом отдельном участке мата в принципе можно предусмотреть соответствующие набухающие участки, которые опосредованно обеспечивают силовое и/или геометрическое замыкание в соединении между собой трубчатого кожуха и сотовой структуры даже при нагреве сотовой структуры и/или трубчатого кожуха. Подобный мат может иметь еще один отдельной участок, соответствующий участку размещения датчика. На этом отдельном участке отсутствуют набухающие участки, и имеется отверстие для пропускания через него датчика. При необходимости мат можно выполнить еще с одним отдельным участком, который соответствует, например, уплотнительному участку и на котором может быть предусмотрен набухающий участок.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента его трубчатый кожух имеет на участке размещения датчика второй внутренний диаметр, который больше его первого внутреннего диаметра на крепежном участке.
В этом варианте в изобретении предлагается еще одна возможность по ограничению соединения между собой трубчатого кожуха и сотовой структуры с силовым замыканием в основном крепежным участком. В этом случае при размещении между трубчатым кожухом и сотовой структурой набухающего мата с соответствующим образом подобранными характеристиками набухания благодаря выполнению трубчатого кожуха с большим вторым внутренним диаметром на участке размещения датчика силовое замыкание в соединении между трубчатым кожухом и сотовой структурой в холодном состоянии создается только на крепежном участке и полностью отсутствует на участке размещения датчика. Благодаря такому выполнению трубчатого кожуха на сотовую структуру на участке размещения датчика даже при нагреве сотового элемента не будут передаваться никакие усилия, когда разница между толщиной набухающего мата в нагретом состоянии и его толщиной в холодном состоянии согласуется с разницей между вторым и первым внутренними диаметрами трубчатого кожуха.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента его трубчатый кожух по меньшей мере на участке размещения датчика выполнен выпуклым наружу по меньшей мере на окружных и/или осевых отдельных участках. Наиболее предпочтительно при этом выполнять трубчатый кожух с выпуклым наружу окружным отдельным участком в зоне гнезда под датчик. Тем самым на этом чувствительном отдельном участке удается дополнительно эффективно предотвратить передачу на сотовую структуру усилий, обусловленных различиями в величинах теплового расширения трубчатого кожуха и сотовой структуры.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента участок размещения датчика, соответственно гнездо под датчик расположен/расположено на расстоянии 20-60 мм, предпочтительно 30-50 мм, наиболее предпочтительно 35-45 мм, от торца сотового элемента.
Указанное расстояние может при этом измеряться до центра гнезда под датчик, однако за точку отсчета равным образом можно принимать и одну из точек края или стенки этого гнезда. В соответствии с этим вариантом гнездо под датчик, соответственно сам датчик главным образом у длинных сотовых элементов располагается преимущественно в их передней трети.
Еще одним объектом настоящего изобретения является способ изготовления сотового элемента, заключающийся в том, что
а) изготавливают по меньшей мере частично керамическую проточную для текучей среды сотовую структуру с по меньшей мере одним гнездом под датчик, выполненным на участке размещения датчика,
б) изготавливают трубчатый кожух с по меньшей мере одним отверстием для пропускания через него датчика,
в) сотовую структуру помещают в трубчатый кожух и соединяют с ним по меньшей мере на одном осевом крепежном участке таким образом, чтобы удерживающие усилия, передаваемые на сотовую структуру на крепежном участке, были больше удерживающих усилий, передаваемых на сотовую структуру на участке размещения датчика,
при этом до или во время выполнения стадии в) сотовую структуру и трубчатый кожух устанавливают друг относительно друга в положение, в котором после выполнения стадии в) отверстие в трубчатом кожухе и гнездо в сотовой структуре по меньшей мере частично совмещены друг с другом.
При изготовлении сотового элемента описанным выше способом до или во время выполнения стадии в) сотовую структуру и трубчатый кожух устанавливают друг относительно друга в положение, в котором после выполнения стадии в) отверстие в трубчатом кожухе оказывается над гнездом в сотовой структуре, т.е. отверстие в трубчатом кожухе и гнездо в сотовой структуре оказываются главным образом по меньшей мере частично совмещены друг с другом, что позволяет вставлять датчик в гнездо в сотовой структуре через отверстие в трубчатом кожухе. Тем самым сначала и прежде всего перед помещением сотовой структуры в трубчатый кожух сотовую структуру и трубчатый кожух можно установить друг относительно друга в положение, в котором их продольные оси располагаются на одной прямой, и затем сотовую структуру и/или трубчатый кожух можно поворачивать друг относительно друга до тех пор, пока отверстие в трубчатом кожухе и гнездо в сотовой структуре не окажутся обращены в одну сторону, чтобы после помещения сотовой структуры в трубчатый кожух отверстие в трубчатом кожухе и гнездо в сотовой структуре оказались совмещены друг с другом. После этого сотовую структуру помещают в трубчатый кожух.
Во время и/или после выполнения стадии в) между сотовой структурой и трубчатым кожухом можно размещать промежуточный слой. Такой промежуточный слой предпочтительно при этом выполнять из по меньшей мере одного из следующих материалов:
- набухающего мата,
- мата из керамических волокон,
- промежуточного слоя из слюды,
- пористого металлического мата,
- упругого мата и
- гибкого мата.
Подобный промежуточный слой предпочтительно должен быть неоднородным. Так, в частности, промежуточный слой можно выполнять с переменной сжимаемостью, толщиной и/или температурной зависимостью характеристики расширения, что позволяет обеспечить с помощью подобного промежуточного слоя пространственно селективное соединение между трубчатым кожухом и сотовой структурой в первую очередь исключительно на по меньшей мере одном крепежном участке. В принципе предпочтительно соединение трубчатого кожуха и сотовой структуры с силовым замыканием. Соответствующая крепежному участку часть промежуточного слоя выполнена таким образом, что она обеспечивает сохранение соединения между трубчатым кожухом и сотовой структурой и при нагреве трубчатого кожуха и/или сотовой структуры. Под пористым металлическим матом подразумевается прежде всего мат из проволочной плетеной сетки.
В следующем предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа при выполнении стадии в) трубчатый кожух, в который заключают сотовую структуру, собирают из по меньшей мере двух частей. Речь при этом идет о помещении сотовой структуры в кожух, состоящий из нескольких, прежде всего из двух, смыкаемых вокруг сотовой структуры частей. Иными словами, в данном варианте используют трубчатый кожух, состоящий из двух собираемых друг с другом половин. Отдельные части трубчатого кожуха предпочтительно соединять при этом присадочным материалом или неразъемно, прежде всего сваркой. При сборке трубчатого кожуха из отдельных образующих его частей предпочтительно, чтобы промежуточный слой, например набухающий мат, расположенный по меньшей мере на отдельных участках между соответствующей частью трубчатого кожуха и сотовой структурой, сжимался, обеспечивая соединение между собой трубчатого кожуха и сотовой структуры с силовым замыканием.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа при выполнении стадии в) сотовую структуру обертывают сжимаемым матом и затем обернутую матом сотовую структуру с усилием или натягом вставляют в трубчатый кожух со сжатием мата.
При этом речь идет о своего рода заталкивании сотовой структуры в цельный трубчатых кожух. Благодаря сжатию мата обеспечивается соединение между собой трубчатого кожуха и сотовой структуры с силовым замыканием.
В следующем предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа при выполнении стадии в) трубчатый кожух по меньшей мере в один слой наматывают вокруг сотовой структуры.
Частные варианты выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента и его преимущества могут относиться также к предлагаемому в изобретении способу и распространяться на него. Аналогичным образом и частные варианты осуществления предлагаемого в изобретении способа и его преимущества могут распространяются на предлагаемый в изобретении сотовый элемент и относиться к нему. Другие преимущества настоящего изобретения более подробно рассмотрены ниже на примере некоторых вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи. Следует отметить, что объем изобретения не ограничен представленными на чертежах вариантами его осуществления и относящимися к ним преимуществами и пояснениями. На прилагаемых к описанию чертежах, в частности, показано:
на фиг.1 - схематичный вид в аксонометрии предлагаемого в изобретении сотового элемента, выполненного по одному из вариантов,
на фиг.2 - схематичный вид в продольном разрезе предлагаемого в изобретении сотового элемента, выполненного по другому варианту,
на фиг.3 - схематичный вид в продольном разрезе предлагаемого в изобретении сотового элемента, выполненного еще по одному варианту,
на фиг.4 - схематичный вид в поперечном разрезе предлагаемого в изобретении сотового элемента, выполненного еще по одному варианту, и
на фиг.5 - схематичный вид мата, прежде всего для создания соединения между трубчатым кожухом и сотовой структурой предлагаемого в изобретении сотового элемента.
На фиг.1 показан предлагаемый в изобретении сотовый элемент 1 с керамической сотовой структурой 2, расположенной в трубчатом кожухе 3. Сотовая структура 2 имеет множество проточных для текучей среды полостей 4. В рассматриваемом примере эти полости 4 проходят насквозь от первого торца 5 сотового элемента 1 до его второго торца 6. Однако по меньшей мере некоторые полости 4 могут быть также выполнены по меньшей мере частично закрытыми с одной стороны или глухими. Возможно также, в частности, выполнение стенок 7, образующих или ограничивающих полости 4, по меньшей мере частично проточными для текучей среды, прежде всего пористыми. Так, в частности, предлагаемые в изобретении сотовые элементы 1 можно также выполнять двойного функционального назначения, например, они могут выполнять функцию носителя каталитического нейтрализатора и одновременно функцию фильтра для улавливания частиц. На стенки 7 можно далее наносить покрытие, прежде всего каталитически активное покрытие, предпочтительно на основе γ-оксида алюминия.
Сотовый элемент 1 имеет далее датчик 8. Такой датчик 8 в предпочтительном варианте представляет собой кислородный датчик, однако он может также выполнять другие или дополнительные функции, например, функцию датчика температуры, функцию датчика концентрации газа и/или функцию иного датчика. В зоне первого торца 5 предусмотрено уплотнение 9.
На фиг.2 схематично в продольном разрезе показан выполненный по другому варианту предлагаемый в изобретении сотовый элемент 1. В своем продольном направлении 10 сотовый элемент 1 в рассматриваемом примере (условно) подразделяется на три осевых отдельных участка 11, 12, 13. На одном из этих осевых участков, а именно на осевом крепежном участке 11, с сотовой структурой 2 соединен трубчатый кожух 3. Сотовый элемент 1 имеет далее осевой участок 12 размещения датчика 8, под который в сотовой структуре 2 выполнено гнездо 14. В рассматриваемом примере сотовый элемент имеет также осевой уплотнительный участок 13, на котором между трубчатым кожухом 3 и сотовой структурой 2 предусмотрено уплотнение 9.
В рассматриваемом примере на крепежном участке 11 между трубчатым кожухом 3 и сотовой структурой 2 предусмотрен опорный мат 15. Подобный опорный мат 15 может представлять собой, например, набухающий мат (мат из набухающего материала), волокнистый мат, прежде всего мат из керамических волокон, и/или слой из слюды. Опорный мат предпочтительно должен обладать свойством расширяться при повышении температуры. Такое свойство мата можно обеспечить, например, путем заделывания в него вермикулита. Вермикулит расширяется при высоких температурах, прежде всего при температурах в интервале от 300 до 700°С. Такую характеристику теплового расширения опорного мата 15 можно использовать для компенсации различий в величинах теплового расширения трубчатого кожуха 3 и сотовой структуры 2. При соединении сотовой структуры 2 с трубчатым кожухом 3 с силовым и/или геометрическим замыканием подобный набухающий опорный мат 15 может использоваться для обеспечения силового и/или геометрического замыкания в указанном соединении даже в нагретом состоянии сотового элемента.
Опорные маты 15 и прежде всего маты, обладающие свойством набухать, т.е. расширяться при нагреве, воздействуют на сотовую структуру 2 с усилием, величина которого зависит от температуры. Сотовая структура 2 и прежде всего ее стенки по своему исполнению в основном рассчитаны на восприятие по меньшей мере наибольших усилий, прикладываемых к сотовой структуре 2 со стороны опорного мата 15 при его нагреве.
На участке 12 размещения датчика выполнено гнездо 14, ограниченное его стенками 16. Такое гнездо 14 предназначено для размещения в нем датчика 8, вставляемого в сотовую структуру 2. Наличием подобного гнезда 14 обусловлено далее ослабление или снижение прочности сотовой структуры 2 на участке 12 размещения датчика, на котором (участке) сотовая структура 2 по этой причине способна выдерживать лишь меньшие усилия, чем на крепежном участке 11. В этом случае во избежание повреждения сотовой структуры 2 на участке 12 размещения датчика согласно изобретению предлагается уменьшить величину усилия, передаваемого на сотовую структуру 2 на участке 12 размещения датчика, по сравнению с усилием, передаваемым на сотовую структуру на крепежном участке 11, или вообще исключить передачу соответствующего усилия на сотовую структуру на участке 12 размещения датчика. Для этого согласно изобретению можно, например, на участке 12 размещения датчика не предусматривать опорный мат 15 по меньшей мере вокруг гнезда 14 и при необходимости на примыкающих к нему достаточно больших участках либо предусмотреть в этой части ненабухающий мат. С этой целью можно, например, использовать соответствующий опорный мат 15 с отверстием в зоне гнезда под датчик или состоящий из нескольких частей опорный мат 15.
Альтернативно этому или в дополнение к этому согласно изобретению можно выполнить трубчатый кожух 2 на участке 12 размещения датчика выпуклым наружу по меньшей мере на отдельных участках 17. Подобный отдельной участок 17 может, в частности, представлять собой окружной и/или осевой отдельной участок 17 участка 12 размещения датчика. Благодаря этому также удается эффективно уменьшить величину усилия, передаваемого на сотовую структуру 2 на участке 12 размещения датчика, и/или полностью исключить передачу усилия на сотовую структуру на этом участке.
Помимо этого в рассматриваемом примере предусмотрен уплотнительный участок 13. На этом уплотнительном участке 13 между трубчатым кожухом 3 и сотовой структурой 2 расположено уплотнение 9. Такое уплотнение в предпочтительном варианте может представлять собой набухающий мат, волокнистый мат и/или слюду. При этом прежде всего можно объединять опорный мат 15 и уплотнение 9 в один цельный, соответствующим образом выполненный мат с соответствующими вырезами или отверстиями на участке 12 размещения датчика. Уплотнение 9 предназначено главным образом для предотвращения движения потока ОГ в обход сотовой структуры 2 или уменьшения количества ОГ, движущихся в обход сотовой структуры. При необходимости уплотнение 9 по меньшей мере на его отдельных участках можно выполнить набухающим. В этом случае уплотнение целесообразно выполнить набухающим прежде всего на том его отдельном участке, который примыкает к торцу 5, 6 сотового элемента 1. Тем самым на этом участке обеспечивается особо высокий уплотняющий эффект. В подобном случае уплотнение 9 должно иметь исполнение, исключающее возможность повреждения сотовой структуры 2 под действием усилий, возникающих на этом участке в результате набухания уплотнения. В этом отношении наиболее предпочтительно выполнять соответствующий участок уплотнения минимально возможных размеров.
Уплотнение 9 в предпочтительном варианте снабжено также защитой 18 от выдувания в направлении торца 5, 6 сотового элемента 1. Такая защита 18 от выдувания может быть образована, например, металлическим листовым элементом, предпочтительно малой толщины, закрепленным на этом участке уплотнения 9 соответственно с силовым и/или геометрическим замыканием и/или присадочным материалом (соединением за счет сил молекулярного сцепления).
На фиг.3 в продольном разрезе показан выполненный еще по одному варианту предлагаемый в изобретении сотовый элемент 1. Такой сотовый элемент 1 имеет сотовую структуру 2, помещенную в трубчатый кожух 3. В своем продольном направлении 10 сотовый элемент 1 подразделяется на крепежный участок 11 и участок 12 размещения датчика. На крепежном участке 11 между трубчатым кожухом 3 и сотовой структурой 2 расположен опорный мат 15, который расширяется при нагреве и компенсирует тем самым различия в величинах теплового расширения трубчатого кожуха 3 и сотовой структуры 2. На участке 12 размещения датчика 8 предусмотрено гнездо 14 под него, ограниченное своими стенками 16. Для дальнейшего уменьшения величины усилия, передаваемого на сотовую структуру 2, трубчатый кожух 3 согласно изобретению выполнен внутри ступенчатым с двумя внутренними диаметрами 19, 20. На крепежном участке 11 трубчатый кожух выполнен с первым внутренним диаметром 19, а на участке 12 размещения датчика - со вторым внутренним диаметром 20. Первый внутренний диаметр 19 меньше второго внутреннего диаметра 20, и поэтому передача усилия от трубчатого кожуха 3 на сотовую структуру 2 возможна только на крепежном участке 11. В рассматриваемом примере край опорного мата 15 не совмещен с тем участком трубчатого кожуха 3, на котором его внутренний диаметр ступенчато изменяется с первого внутреннего диаметра 19 на второй внутренний диаметр 20. Однако край опорного мата и участок ступенчатого изменения внутреннего диаметра трубчатого кожуха могут также совпадать друг с другом, т.е. располагаться в одной радиальной плоскости. На фиг.3 в качестве примера показано также предусмотренное в трубчатом кожухе 3 отверстие 28 с его стенками 29. Отверстие 28 и гнездо 14 по меньшей мере частично совмещены друг с другом, что позволяет вставить в гнездо 14 датчик через отверстие 28. В остальном к выполненному по этому варианту сотовому элементу относятся те же пояснения, что и к сотовому элементу, показанному на фиг.2.
На фиг.4 в поперечном разрезе показан выполненный еще по одному варианту предлагаемый в изобретении сотовый элемент. Плоскость этого поперечного разреза проходит через крепежный участок 11. Такой сотовый элемент 1 имеет трубчатый кожух 3 и расположенную в нем сотовую структуру 2 с ограниченными стенками 7 полостями 4, из всего количества которых на чертеже для упрощения показана только их часть. Между трубчатым кожухом 3 и сотовой структурой 2 расположен опорный мат 15. На крепежном участке 11 трубчатый кожух 3 имеет первые отдельные участки 21 и вторые отдельные участки 22. Первые отдельные участки 21 имеют при этом меньший внутренний диаметр, чем вторые отдельные участки 22. Благодаря этому удерживающие сотовую структуру 2 в трубчатом кожухе усилия передаются на нее только на определенных окружных отдельных участках 21 сотового элемента 1. Пространственно отдельные участки 21, 22 могут быть выполнены симметричными, равно как и асимметричными в осевом, а также в окружном направлениях. Под отдельным участком в окружном направлении согласно изобретению подразумевается отдельной участок, который по своей угловой протяженности занимает не всю окружность поперечного сечения сотовой структуры 2, а только часть этой окружности. Помимо этого и пространственная протяженность отдельных участков 21, 22, прежде всего в окружном направлении, может варьироваться от одного отдельного участка 21, 22 к другому.
На фиг.5 показан мат 23, который может использоваться прежде всего в конструкции предлагаемого в изобретении сотового элемента 1. Такой мат 23 в предпочтительном варианте представляет собой набухающий мат и/или мат из керамических волокон. Альтернативно этому или в дополнение к этому предпочтительно также выполнение слоя, по меньшей мере частично состоящего из слюды. В предлагаемом в изобретении сотовом элементе 1 мат 23 располагается между трубчатым кожухом 3 и сотовой структурой 2. Уже непосредственно сам мат 23 можно подразделить в продольном направлении 10 сотового элемента на отдельные участки, соответствующие отдельным участкам 11, 12, 13 сотового элемента 1. В принципе мат 23 не является набухающим, но при этом имеет набухающие участки 24. Эти набухающие участки 24 содержат, например, вермикулит, расширяющийся при нагреве. Тем самым на крепежном участке 11 можно обеспечить соединение между собой трубчатого кожуха 3 и сотовой структуры 2 прежде всего с силовым и/или геометрическим замыканием. При нагреве набухающие участки 24 мата компенсируют различия в величинах теплового расширения трубчатого кожуха 3 и сотовой структуры 2, между которыми благодаря этому и в нагретом состоянии сохраняется соединение с силовым и/или геометрическим замыканием. На участке 12 последующего размещения датчика мат 23 имеет отверстие 25, ограниченное своей стенкой 26. При изготовлении сотового элемента 1 такое отверстие 25 совмещают с предусмотренным в сотовой структуре 2 гнездом 14 под датчик 8, чтобы его при встраивании в сотовый элемент 1 можно было вставить в гнездо 14 через это отверстие 25. Отверстие 25 не только обеспечивает возможность пропускания через мат вставляемого в гнездо датчика 8, но и уменьшает величину усилий, передаваемых на сотовую структуру 2 вблизи гнезда 14. Тем самым в процессе эксплуатации сотового элемента отверстие 25 прежде всего во взаимодействии с не набухающим матом 23 предотвращает на участке 12 размещения датчика повреждение сотовой структуры 2.
На участке, соответствующем в последующем уплотнительному участку 13, мат 23 обладает уплотняющим свойством. Для этого мат можно, например, выполнить на уплотнительном участке 13 большей толщины, чем на участке 12 размещения датчика. Помимо этого по краю уплотнительного участка 13 можно также предусмотреть набухающий участок 24, который при нагреве обеспечивает образование между трубчатым кожухом 3 и сотовой структурой 2 зазора, который допускает прохождение ОГ в обход сотовой структуры 2. Такой набухающий участок 24 предпочтительно должен иметь в продольном направлении 10 малую протяженность по сравнению с общей протяженностью уплотнительного участка 13 в этом же продольном направлении 10. Кроме того, на этом торцовом участке мата 23 альтернативно или дополнительно можно предусмотреть описанную выше защиту 18 от выдувания или выдавливания мата 23, например, интенсивно пульсирующим потоком ОГ.
У предлагаемого в изобретении сотового элемента 1 соединение между трубчатым кожухом 3 и керамической сотовой структурой 2 на крепежном участке 11 благодаря предпочтительно силовому и/или геометрическому замыканию обладает высокой долговечностью, при этом несмотря на наличие в сотовой структуре 2 гнезда 14 под датчик эффективно предотвращается ее дальнейшее повреждение на участке 12 размещения датчика.