СПОСОБ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ДАТЧИКА В СОТОВОМ ЭЛЕМЕНТЕ, СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СОТОВЫЙ ЭЛЕМЕНТ И ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО
METHOD OF POSITIONING SENSOR IN CELLULAR ELEMENT, CORRESPONDING CELLULAR ELEMENT AND VEHICLE

Настоящее изобретение относится к способу позиционирования датчика, прежде всего кислородного датчика (лямбда-зонда), в сотовом элементе, к соответствующему сотовому элементу и к оснащенному им транспортному средству. Сотовые элементы, о которых идет речь в настоящем описании, используются прежде всего в качестве носителей каталитических нейтрализаторов или фильтров в системах выпуска отработавших газов (ОГ), которыми оснащаются транспортные средства, например автомобили или двухколесные транспортные средства с двигателем.
Сотовые элементы используются в качестве носителей каталитических нейтрализаторов и/или фильтров в системах выпуска ОГ, которыми оснащаются прежде всего автомобили, двухколесные транспортные средства с двигателем, квадроциклы, малые суда или летательные аппараты, и имеют полости, по меньшей мере частично проточные для текучей среды, прежде всего для ОГ. В таких системах выпуска ОГ часто предусматривают также различные датчики, прежде всего кислородные и/или регулирующие датчики, которые предпочтительно также встраивать в сотовый элемент, как это описано, например, в DE 8816154 U1. Из WO 02/075126 А1 известен, например, способ, позволяющий встраивать датчик в сотовый элемент, имеющий изготовленную из металлических слоев сотовую структуру с полостями, при минимально возможном уменьшении площади поверхности, снабжаемой, например, каталитически активным покрытием. В настоящее время известны также различные способы выполнения гнезда под размещаемый в нем датчик в сотовых элементах с керамической сотовой структурой, в которой для этого, например, высверливают соответствующее отверстие.
Однако при встраивании датчиков в сотовые элементы всеми этими способами до настоящего времени оставалось неясно, в каком именно месте необходимо располагать датчик для получения от него максимально точного результата измерений без систематических погрешностей.
Исходя из вышеизложенного, в основу настоящего изобретения была положена задача по меньшей мере частично снизить остроту известных из уровня техники технических проблем и прежде всего разработать способ позиционирования датчика в сотовом элементе, который (способ) позволял бы задавать для датчика такое место его расположения в сотовом элементе, связанные с которым систематические погрешности в выдаваемых датчиком результатах измерений оставались бы на минимально возможном уровне. Задача изобретения состояла также в том, чтобы предложить соответствующий сотовый элемент и оснащенное им транспортное средство.
Указанные задачи решаются с помощью способа позиционирования датчика, заявленного в п.1 формулы изобретения, с помощью сотового элемента, заявленного в п.7 формулы изобретения, и с помощью транспортного средства, заявленного в п.14 формулы изобретения. Различные предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.
При позиционировании датчика в сотовом элементе, имеющем по меньшей мере частично проточные для отработавших газов (ОГ) полости, предлагаемым в изобретении способом датчик позиционируют в сотовом элементе на том его участке, на котором в процессе работы сотового элемента в системе выпуска ОГ, которой оснащается транспортное средство, концентрация водорода достигает минимума.
2
2
2
При создании изобретения было установлено, что главным образом кислородные датчики чувствительны к концентрации присутствующего в окружающей их среде водорода, от которой (концентрации) поэтому существенно зависят выдаваемые датчиком результаты измерений. Для поддержания обусловленной подобными причинами систематической погрешности результатов измерений минимально возможной и прежде всего для уменьшения колебаний этой систематической погрешности во времени до минимально возможных согласно изобретению датчик предлагается размещать на том участке сотового элемента по его длине, на котором концентрация водорода минимальна. Наличие подобного минимума концентрации водорода обусловлено множеством химических реакций, протекающих одновременно прежде всего в сотовом элементе, используемом в качестве носителя каталитического нейтрализатора. Наряду с реакциями, в которых водород расходуется, например при окислении кислорода или при восстановлении оксида азота, протекают также реакции, в ходе которых водород выделяется, например реакция сдвига, при которой моноксид углерода (СО) взаимодействует с водой (HO) с образованием диоксида углерода (СО) и водорода (H), или же реакция конверсии с водяным паром.
Преимущество, связанное с размещением датчика в том месте сотового элемента, где концентрация в нем водорода минимальна, состоит в уменьшении систематической погрешности результатов измерений, обусловленной перекрестной чувствительностью датчика к концентрации водорода, до минимально возможной. При создании изобретения неожиданно было установлено, что размещение датчика даже с небольшим смещением относительно той точки, в которой концентрация водорода в сотовом элементе минимальна, уже позволяет добиться значительного уменьшения указанной выше систематической погрешности, и поэтому предпочтительным согласно изобретению является размещение датчика не только строго в том месте сотового элемента, в котором концентрация в нем водорода минимальна, но и в пределах некоторого участка со смещением в одну или другую сторону относительно такой точки с минимальной концентрацией водорода.
Положение точки, в которой концентрация водорода достигает минимума, предпочтительно определять, подвергая сотовый элемент стандартному испытанию на токсичность выходящих из него ОГ, например, в соответствии с методом испытаний EU Evaporative Emissions Test (SHED 2000), в соответствии с методом испытаний EU Type Approval Test "Type IV" или в соответствии с методом испытаний US Federal Test Procedure. При проведении испытаний этими методами задают точное количество испытательных циклов и точные значения конкретных параметров, таких как температура топлива, его состав, скорость движения и иные параметры.
Под транспортным средством согласно изобретению подразумевается прежде всего автомобиль, двухколесное транспортное средство с двигателем либо квадроцикл, малое судно или летательный аппарат. Под концентрацией водорода подразумевается прежде всего концентрация водорода в некоторой точке по осевой длине сотового элемента, усредняемая прежде всего по его радиальному направлению. Сотовый элемент может представлять собой прежде всего носитель каталитического нейтрализатора и/или фильтр, например открытый (безнапорный) фильтр для улавливания частиц или фильтр для удаления твердых частиц из ОГ дизельных двигателей, главным образом фильтр с попеременно закрытыми с его противоположных сторон, т.е. попеременно выполненными глухими, каналами. Сотовая структура сотового элемента, которая имеет или образует полости, может быть заключена в трубчатый кожух. За положение датчика принимается прежде всего положение его оси симметрии или же положение его края в осевом направлении сотового элемента. Под датчиком согласно изобретению подразумевается главным образом кислородный датчик, регулирующий датчик, датчик температуры и/или датчик концентрации газа, например, для определения концентрации углеводородов или оксидов азота.
В одном из предпочтительных вариантов осуществления предлагаемого в изобретении способа протяженность участка, в пределах которого в сотовом элементе располагают (позиционируют) датчик, в осевом направлении сотового элемента составляет в основном по 10% от его осевой длины в одну и другую сторону от точки, в которой концентрация водорода достигает минимума.
Сказанное означает, в частности, возможность размещения датчика по одну сторону от точки минимальной концентрации водорода в пределах частичного участка длиной, составляющей в основном 10% от осевой длины сотового элемента и измеряемой в одном - первом - направлении по его оси, а также по другую сторону от точки минимальной концентрации водорода в пределах частичного участка длиной, также составляющей в основном 10% от осевой длины сотового элемента и измеряемой в другом - втором - направлении по его оси, противоположном первому направлению. При наличии нескольких минимумов концентрации водорода за точку отсчета принимают прежде всего точку с наименьшей в пределах этого участка концентрацией водорода.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа датчик располагают на удалении в основном 20-60 мм, предпочтительно 30-40 мм, от торца, прежде всего от расположенного со стороны входа ОГ торца, сотового элемента.
Для многих сотовых элементов характерно предпочтительное направление прохождение через них газового потока, задаваемое, например, выполнением в полостях сотовой структуры воздействующих на газовый поток профильных структур, и поэтому даже в отношении сотового элемента, который не встроен в систему выпуска ОГ, можно говорить о той его стороне, с которой в него входит газ. При создании изобретения неожиданно было установлено, что у многих сотовых элементов концентрация водорода достигает минимума в точке, удаленной в основном на 20-60 мм, предпочтительно на 30-40 мм, от того торца сотового элемента, который расположен со стороны входа в него газа.
В следующем предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа положение точки, в которой концентрация водорода достигает минимума, определяют в соответствии с методом испытаний EU Evaporative Emissions Test (SHED 2000), в соответствии с методом испытаний EU Type Approval Test "Type IV" или в соответствии с методом испытаний US Federal Test Procedure. В принципе же положение указанной точки согласно изобретению можно определять и иными методами испытаний.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа он предназначен для позиционирования по меньшей мере одного из следующих датчиков:
а) кислородного датчика или
б) регулирующего датчика.
Под регулирующим датчиком имеется в виду датчик, являющийся частью регулирующего контура. Регулирующий датчик может содержать средства, выполняющие функцию кислородного датчика, или может представлять собой кислородный датчик, а также может выполнять дополнительные или иные функции. Так, например, регулирующий датчик может объединять в себе датчик температуры и/или датчик концентрации газа, например, для определения концентрации углеводородов или оксидов азота.
В еще одном предпочтительном варианте осуществления предлагаемого в изобретении способа минимум концентрации водорода является абсолютным.
В зависимости от рабочих параметров сотового элемента концентрация водорода может иметь несколько минимумов по длине сотового элемента, и поэтому датчик предпочтительно располагать в зоне абсолютного минимума концентрации водорода.
Следующим объектом настоящего изобретения является сотовый элемент, имеющий по меньшей мере частично проточные для отработавших газов (ОГ) полости и оснащенный датчиком, который расположен в сотовом элементе на том его участке, на котором в процессе работы сотового элемента в системе выпуска ОГ, которой оснащено транспортное средство, концентрация водорода достигает по меньшей мере одного минимума.
Размещение датчика на участке сотового элемента с минимальной концентрацией водорода позволяет до минимально возможной уменьшить систематическую погрешность в выдаваемых датчиком результатах измерений, обусловленную перекрестной чувствительностью датчика к водороду. В предпочтительном варианте датчиком является кислородный или регулирующий датчик. Точку или место по длине сотового элемента, где концентрация водорода минимальна, определяют известными методами испытаний, например методом испытаний EU Evaporative Emissions Test (SHED 2000), методом испытаний EU Type Approval Test "Type IV" или методом испытаний US Federal Test Procedure. Положение, в котором концентрация водорода минимальна и которое тем самым оптимально для размещения в нем датчика, предпочтительно определять одним из указанных выше методов.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента протяженность участка, в пределах которого в сотовом элементе располагают (позиционируют) датчик, в осевом направлении сотового элемента составляет в основном по 10% от его осевой длины в одну и другую сторону от точки, в которой концентрация водорода достигает минимума.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента датчик расположен на удалении в основном 20-60 мм, предпочтительно 30-40 мм, от торца, прежде всего от расположенного со стороны входа ОГ торца, сотового элемента.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента датчик представляет собой по меньшей мере один из следующих датчиков:
а) кислородный датчик или
б) регулирующий датчик.
В следующем предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента в пределах указанного участка, на котором в сотовом элементе располагают датчик, лежит абсолютный минимум концентрации водорода.
В еще одном предпочтительном варианте выполнения предлагаемого в изобретении сотового элемента он имеет по меньшей мере частично керамическую и/или металлическую сотовую структуру.
Сотовая структура может при этом представлять собой керамическую монолитную структуру, при необходимости снабженную вставками, например, из металла. Сотовую структуру можно также изготавливать из по меньшей мере частично профилированных и при необходимости из в основном гладких слоев путем, например, свертывания по меньшей мере одного частично профилированного слоя в рулон со спиральной навивкой или путем, например, набора по меньшей мере одного пакета из в основном гладких и по меньшей мере частично профилированных слоев и его последующего скручивания в рулон. Указанные слои могут представлять собой образованные металлическими листами слои, волокнистые слои, прежде всего из керамических и/или металлических волокон, прочие пористые слои, прежде всего металлические и/или керамические пористые слои, а также слои, представляющие собой смеси и/или комбинации из слоев разных указанных типов. Сотовую структуру можно изготавливать, например, экструзией, методами быстрого макетирования или путем свертывания в рулон со спиральной или иной навивкой. Согласно изобретению сотовый элемент можно изготавливать любыми методами свертывания в рулон, скручивания и экструзии.
Еще одним объектом настоящего изобретения является транспортное средство, оснащенное по меньшей мере одним предлагаемым в изобретении сотовым элементом. Под транспортным средством в данном контексте подразумевается прежде всего автомобиль, двухколесное транспортное средство с двигателем либо квадроцикл, малое судно или летательный аппарат.
Речь при этом идет главным образом о транспортном средстве с системой выпуска ОГ, в которой предусмотрен по меньшей мере один компонент для нейтрализации или снижения токсичности ОГ с подобным сотовым элементом. Система выпуска ОГ обычно соединена с двигателем внутреннего сгорания (например, с дизельным двигателем или двигателем с принудительным воспламенением рабочей смеси), в котором при его работе образуются ОГ, и имеет выпускной трубопровод, по которому ОГ движутся в направлении их потока, контактируя при этом с по меньшей мере одним расположенным в выпускном трубопроводе компонентом (например, каталитическим нейтрализатором, фильтром, отделителем частиц, адсорбером и т.д.), служащим для превращения содержащихся в ОГ вредных веществ в безвредные или для отделения от ОГ содержащихся в них вредных веществ и тем самым для нейтрализации или снижения токсичности ОГ. При этом по меньшей мере один из компонентов для нейтрализации или снижения токсичности ОГ выполнен с сотовым элементом указанного выше типа. В предпочтительном варианте положение, в котором в той или иной системе выпуска ОГ оптимально располагать по меньшей мере один датчик, определяют стандартными методами испытаний и/или путем вычислений (например, вычислений с помощью компьютера).
Все преимущества предлагаемого в изобретении способа и частные варианты его осуществления могут относиться также к предлагаемому в изобретении сотовому элементу и к предлагаемому в изобретении транспортному средству и могут распространяться на них и наоборот.
Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию чертежи, представленными на которых наиболее предпочтительными вариантами осуществления изобретения и его преимуществами, однако, не ограничен его объем и на которых, в частности, показано:
на фиг.1 - схематичный вид выполненного по первому варианту предлагаемого в изобретении сотового элемента,
на фиг.2 - схематичный график изменения концентрации водорода по длине предлагаемого в изобретения сотового элемента и
на фиг.3 - схематичный вид в продольном разрезе фрагмента предлагаемого в изобретении сотового элемента с указанием его продольной оси.
На фиг.1 схематично показан выполненный по первому варианту предлагаемый в изобретении сотовый элемент 1. Такой сотовый элемент образован сотовой структурой 2 с по меньшей мере частично проточными для текучей среды полостями 3, проходящими в осевом направлении 4 сотового элемента 1. Полости 3 образованы в основном гладкими слоями 5 и по меньшей мере частично профилированными слоями 6. По меньшей мере частично профилированные слои 6, которые для наглядности чертежа показаны только в одной части поперечного сечения сотовой структуры 2, выполнены волнистыми или гофрированными. В этом отношении под выражением "в основном гладкие" подразумевается, что в основном гладкий слой 5 может также иметь профильные структуры, амплитуда которых, однако, меньше, предпочтительно существенно меньше, чем профильных структур по меньшей мере частично профилированного слоя 6. В рассматриваемом примере слои 5, 6 были набраны в пакет, который затем скручивали в рулон вокруг двух неподвижных точек 7.
Сотовая структура 2 имеет гнездо 8 под помещенный в него датчик 9. В качестве такого датчика 9 могут использоваться прежде всего кислородный датчик, регулирующий датчик, датчик температуры и/или датчик концентрации газа, предназначенный, например, для определения концентрации углеводородов или оксидов азота. Наиболее предпочтителен кислородный датчик, который может быть также интегрирован в регулирующий датчик. Датчик 9 установлен в том месте, в котором концентрация водорода в процессе работы сотового элемента 1 в системе выпуска ОГ, которой оснащено транспортное средство, минимальна или близка к минимальной. Точку, в которой в осевом направлении 4 сотового элемента концентрация водорода достигает минимума, определяют одним из указанных выше методов испытаний.
2
M
M2
M
M
На фиг.2 схематично в качестве примера показан график изменения концентрации водорода с(Н) в относительных единицах по длине предлагаемого в изобретении сотового элемента 1. На этом графике изменение концентрации водорода с показано в функции координаты х в осевом направлении 4 сотового элемента. В рассматриваемом примере длина L сотового элемента 1 составляет 70 мм. На графике изменения концентрации водорода с имеется первый минимум 10, положению которого соответствует координата x. Положению второго минимума 11 концентрации водорода с соответствует вторая координата x. Точка с координатой x расположена в сотовом элементе 1 на удалении 30-40 мм от его торца 12, соответствующая которому координата х на показанном на фиг.2 графике изменения концентрации водорода равна нулю. Датчик 9 расположен на участке, на котором находится координата x, соответствующая положению первого минимума 10.
M
M
M
M
M
На фиг.3 схематично в продольном сечении показан фрагмент сотовой структуры 2 предлагаемого в изобретении сотового элемента 1. В данном примере такая сотовая структура 2 выполнена монолитной из керамики, например экструзией, и имеет гнездо 8 под не показанный на чертеже датчик 9. Гнездо 8, а тем самым и датчик 9 расположены в пределах участка, на котором находится точка с координатой x, соответствующей минимуму концентрации водорода, и протяженность которого в предпочтительном варианте составляет примерно по 10% от длины L сотового элемента в одну и другую сторону от точки с координатой x в осевом направлении 4 сотового элемента, соответственно в противоположном направлении. Таким образом, датчик 9, соответственно гнездо 8 под него расположены в пределах участка с координатами x-L/10<х<x+L/10. За положение датчика 9 можно при этом принимать положение его края или же положение его оси симметрии в осевом направлении сотового элемента. В том случае, когда датчик 9 расположен в сотовой структуре 2 не под прямым, а под отличным от 90° углом к осевому направлению 4 сотового элемента, принимается, что датчик 9 также находится в пределах указанного выше предпочтительного участка относительно точки с координатой x, даже если в пределы этого участка попадает только часть датчика 9.
Преимущество предлагаемого в изобретении способа позиционирования датчика 9 состоит в возможности его размещения в сотовом элементе 1 в том месте по его длине, в котором возникающие в выдаваемых датчиком результатах измерений систематические погрешности, обусловленные перекрестной чувствительностью датчика 9 к концентрации водорода, поддерживаются на минимально возможном уровне. Сказанное относится прежде всего к кислородным датчикам. В предлагаемом в изобретении сотовом элементе 1 датчик 9 расположен в том его месте, в котором он выдает наиболее достоверные результаты измерений с минимально возможной систематической погрешностью.