Электропроводящая ячеистая конструкция носителя катализатора для выхлопных газов и способ контроля при эксплуатации электропроводящей ячеистой конструкции носителя катализатора

 

Использование: двигатели внутреннего сгорания, устройства для каталитической очистки отработавших газов. Сущность изобретения: электропроводящая ячеистая конструкция носителя катализатора для выхлопных газов выполнена в виде электропроводящих ячеистых блоков, установленных в корпусе и образованных слоями частично или полностью структуированных плоского и гофрированного листов фольги, намотанных с образованием газовых каналов и размещенных в виде пакета со слоями, намотанными навстречу один другому с поперечным сечением в форме круга или в форме меандра, листы фольги выполнены толщиной, составляющей 0,03 - 0,12 мм, предпочтительно 0,03 - 0,06 мм. Блоки установлены с зазором один относительно другого, могут быть снабжены радиальными и/или аксиальными электроизолирующими прокладками или покрытиями, расположенными по поверхности поперечного сечения и/или вдоль оси блока с образованием электропроводящих по длине участков с электрическим сопротивлением, составляющим 0,03 - 2,0 Ом, преимущественно 0,1 - 1,0 Ом. 15 з.п.ф-лы, 17 ил.

Изобретение относится к электропроводящей ячеистой конструкции, особенно в качестве структуры носителя катализатора для выхлопных газов из намотанных, уложенных в пакет или иным образом слоев частично или полностью структурированной фольги, устойчивой к высокотемпературной коррозии, образующих множество каналов, проницаемых для газовой среды, а также к способу ее эксплуатации и ее контроля.

Существенные особенности предлагаемой ячеистой конструкции рассматриваются далее с учетом преимуществ, создаваемых ею при использовании в качестве носителя катализатора, хотя это и не исключает других сравнимых возможностей использования. Такую ячеистую конструкцию можно использовать, например, при нагревании текучих сред, для выпаривания жидкостей и т.д.

Исходя из известных катализаторов для выхлопных газов в автомобиле, особенно регулируемого катализатора тройного действия для выхлопных газов, предлагаемое изобретение в примерах выполнения направлено на ускорение срабатывания, регулировку и контроль таких катализаторов.

До настоящего времени во многих случаях для снижения выброса вредных веществ в период пуска холодного двигателя автомобиля использовали так называемые стартовые катализаторы, называемые также "форкатализаторами". Такие катализаторы, размещенные в непосредственно близости к двигателю и имеющие металлические несущие структуры, нагреваются быстрее, чем объемные основные катализаторы, поскольку они расположены ближе к двигателю и имеют меньший объем. Несмотря на это, стартовые катализаторы требуют определенного времени срабатывания, поскольку их каталитически активная масса, их керамический носитель и металлическая несущая структура должны сначала прогреться выхлопными газами. При этом они сначала отбирают тепло у выхлопных газов, из-за чего дальше расположенные основные катализаторы тоже медленнее нагреваются до рабочей температуры.

Известны различные варианты ячеистых структур, используемых в качестве металлических несущих конструкций.

Известна электропроводящая ячеистая конструкция носителя катализатора для выходных газов, преимущественно двигателя внутреннего сгорания, выполненная в виде электропроводящих ячеистых блоков, установленных в корпусе с образованием слоями частично или полностью структированных, преимущественно плоского и гофрированного листов фольги, намотанных с образованием газовых каналов и размещенных в пакете, причем блоки выполнены с поперечным сечением в форме круга со слоями, намотанными навстречу один другому или покрыты слоями в форме меандра, листы фольги выполнены толщиной 0,03 0,12 мм, предпочтительно 0,03 0,06 мм /патент США N 4686827, кл. F 01 N 3/02, опубл. 1987/.

Недостатком известной конструкции является невозможность обеспечения контроля в период эксплуатации.

Задачей изобретения является модификация металлической ячеистой структуры таким образом, чтобы можно было свободно выбирать ее сопротивление в широких границах и независимо от ее объема, так чтобы, в особенности, нагревание ячеистой структуры обычными, находящимися в автомобилях источниками тока и напряжения было бы без проблем. Дополнительно или альтернативно нужно иметь возможность путем наблюдения за зависящим от температуры сопротивления устанавливать температуру ячеистой структуры и использовать эту информацию для процесса регулирования и контроля.

Поэтому задача изобретения состоит в создании ячеистой конструкции, так электрически разделенной зазорами и/или электроизоляционными прокладками или покрытиями по поверхностям поперечного сечения и/или по длине в осевом направлении, чтобы создавался, по крайней мере, один путь электрического тока по фольге, имеющей электрическое сопротивление 0,03 2 Ом, предпочтительно 0,1 1 Ом, особенно около 0,6 Ом. Как поясняется подробнее чертежами, необходимое для создания определенного сопротивления число зазоров и/или прокладок зависит от многих параметров. Толщина фольги, ее структура, площадь поперечного сечения отдельных каналов и выбор материала оказывает свое воздействие. Можно применять фольгу толщиной 0,03 0,12 мм, предпочтительно 0,03 0,6 мм. Обычно таким материалом служит стальная фольга с добавками хрома и алюминия. Изобретением охватываются различные варианты выполнения электронагревательного блока носителя катализатора. Общее в них то, что они так разделены зазорами и/или электроизоляционными прокладками или отделены ими от трубчатой оболочки, что создается не менее одного пути электрического тока по носителю катализатора с электрическим сопротивление 0,03 2 Ом. Сопротивление в таком диапазоне особенно подходит для электрического нагревателя от обычной 12-вольтной установки. При этом следует учитывать, что при сильных токах уже могут возникнуть значительные потери в подводящих проводах, так что можно прикладывать к носителю катализатора лишь меньшее, например, 10 В.

Поскольку в автомобиле существует несколько электронагреваемых катализаторов, имеется несколько вариантов электрического соединения. Можно выполнить носители с большим сопротивлением и соединить их параллельно или со сравнительно малым сопротивлением и, соответственно, соединить их последовательно. Можно предусмотреть и переключение по времени с параллельного на последовательное включение при необходимости менять мощность электронагрева в зависимости от режима эксплуатации.

Используемая обычно фольга толщиной 0,03 0,06 мм, устойчивая к высокотемпературной коррозии, обладала бы на всем пути, необходимом для образования блока носителя катализатора, слишком большим сопротивлением для заданного электронагрева. Носитель катализатора в котором все слои структурированной фольги соприкасаются или даже состыкованы, имел бы слишком малое сопротивление для электронагрева напряжением 12 В. Поэтому носитель катализатора следует разделять так, чтобы, в зависимости от его общего объема, создавался путь тока с заданным сочетанием длины и проводимости. При этом существует возможность разделения поперечного сечения на последовательные отрезки, состоящие, например, из более чем четырех параллельно соединенных слоев фольги каждый, предпочтительно из восьми-двенадцати слоев фольги.

Другая возможность состоит в разделении носителя катализатора на расположенные в осевом направлении друг за другом слои, электрически соединенные последовательно. Оба варианта можно использовать и в сочетании друг с другом, как поясняется на примерах.

При заключении электронагревательного блока носителя катализатора в трубчатую оболочку создаются некоторые особенности, поскольку в этом случае, по крайней мере, часть блока носителя должна быть электроизолирована от этой трубчатой оболочки. Необходимо также предусмотреть подходящие изоляционные вводы для электропроводов. Однако, это не представляет серьезной проблемы, например, при использовании трубчатых оболочек, составленных из половинок. Изоляция между носителем катализатора и трубчатой оболочной может быть при этом одновременно тепловой и электрической, что наиболее целесообразно.

Изобретение относится также к принципиальным решениям в случае различных вариантов специального применения. Как поясняется чертежами, для равномерности распределения плотности тока в ячеистой структуре может оказаться целесообразным предусмотреть присоединительные распорки на одной или обеих торцевых сторонах ячеистой конструкции. При ожидаемых относительных удлиненных между нагреваемым ячеистым блоком и его трубчатой оболочкой электрический подвод целесообразно выполнить упругим для компенсации этих удлинений. Такой подвод должен быть рассчитан на токи 50 400 А.

При ожидаемых высоких осевых механических нагрузках на ячеистый блок может быть важным предотвращение осевого смещения электроизолированных друг от друга слоев фольги посредством соединений с геометрическим замыканием. Как известно, керамические изолирующие слои неспособны выдерживать растяжение в должной степени. В этом случае может помочь соединение с геометрическим замыканием, воспринимающее возникающие условия. Когда такое соединение имеет глубину, большую, чем толщина изолирующего слоя, осевые усилия вызывают в основном сжимающие нагрузки на керамическую прокладку в этой области, а не растягивающие нагрузки.

Электропроводящий блок носителя катализатора, особенной такой как описан выше, а также и иного выполнения, например, выполненный порошковой технологией, при его полной или частичной изоляции относительно трубчатой оболочки и фиксаторов и нанесенном на него каталитически активном покрытии в условиях установки в системах выведения отработавших газов двигателя внутреннего сгорания можно контролировать, измеряя его общее электрическое сопротивление или сопротивление в отдельной зоне и используя полученные данные для контроля и/или регулировки системы каталитической нейтрализации отработавших газов. При повышении температуры растет электрическое сопротивление ячеистой структуры. Этот факт можно использовать для контроля и регулировки электрического нагрева. Наряду с эффектом снижения мощности нагрева, потребляемой блоком носителя катализатора при постоянной величине приложенного напряжения, процесс нагревания может также закончиться с момента понижения электрического сопротивления до заданного порогового значения. На основании измерения сопротивления может включиться и дополнительный нагрев катализатора, если его рабочая температура снова понизилась, например, при остановке автомобиля, ниже температуры начала каталитической реакции. При этом можно использовать цепь тока нагрева для измерения сопротивления, кратковременно периодически включая ее и измеряя потребляемую на нагревание мощности или величину, пропорциональную этой мощности.

На фиг. 1 представлена система выведения отработавших газов в автомобиле, частично двухканальная, с различными местами расположения пусковых и основных катализаторов; на фиг. 2 принципиальная схема электрического нагрева катализатора; на фиг. 3 принципиальная схема нагрева дисковых катализатором; на фиг. 4 диаграмма температур в системе выведения отработавших газов или в системе катализаторов нейтрализации отработавших газов в автомобиле в зависимости от времени, прошедшего с момента запуска; на фиг. 5 носитель катализатора со слоями, уложенными в форме меандра; на фиг. 6 носитель катализатора с U-образно проходящими слоями фольги и соответствующими путями тока; на фиг. 7 пакет фольги с местами обжима; на фиг. 8 носитель катализатора из пакета фольги со слоями, уложенными в форме меандра; на фиг. 9 увеличенный участок фиг. 8 для пояснения изоляции пакета фольги относительно трубчатой оболочки; на фиг. 10 электронагреваемый блок носителя катализатора на встречно свернутого пакета фольги /S-образно/ с изолирующими промежуточными слоями; на фиг. 11 многодисковый катализатор, составленный из катализаторных блоков по фиг. 10, с условно обозначенной электрической схемой; на фиг. 12 - другой блок носителя катализатора из встречно свернутых слоев фольги с трубчатой оболочкой и вариантом электрического подключения; на фиг. 13 - продольный осевой разрез по носителю катализатора, выполненному из двух дисков по фиг. 12; на фиг. 14 вариант установки электропроводящего блока носителя катализатора, схематическое изображение, частично в осевом разрезе; на фиг. 15 и 16 разные варианты для торцевых присоединительных распорок; на фиг. 17 электроизолирующее соединение двух слоев фольги с геометрическим замыканием.

На фиг. 1 схематически показана частично двухканальная система выведения отработавших газов автомобиля. Однако описанные впоследствии варианты выполнения справедливы также для одноканальных систем в которых не используется нижняя ветвь 10b, 11b, 12b, 15b, 16b, 17b, 18b, 19b. Система выпуска направляет отработавшие газы с помощью выпускных коллекторов 10a, 10b на смесительный участок 13, где расположен кислородный датчик. Оттуда выпускные трубопроводы 15a, b ведут к основным катализаторам 17a, 17b, 18a, 18b, а затем к выпускным трубам 19a, 19b. Состоят ли основные катализаторы из одного блока, или, как показано, из двух блоков, зависит от размера и мощности двигателя. На фиг. 1 приведены три возможных положения для электронагреваемых катализаторов. Первое положение обозначено позициями 11a, 11b, второе положение позициями 12a, 12b, а третье позициями 16a, 16b. Далее будут подробно рассмотрены преимущества и недостатки положений, однако возможны и сочетания, при которых два или все три этих положения заняты нагреваемыми катализаторами. Кроме этого, можно нагревать сами основные катализаторы 17a, 17b, 18a, 18b, что требует повышенной электрической мощности, однако при этом пусковые катализаторы не нужны.

Первое положение обычно для пусковых катализаторов. В этом случае они быстро нагреваются из-за близости к двигателю и поэтому быстро начинают работать, безусловно испытывая высокие тепловые переменные нагрузки. Электрическим нагреванием можно достигнуть дальнейшего улучшения срабатывания катализатора в этом положении, хотя последующий путь отработавших газов до места расположения основных катализаторов сравнительно долог, в результате чего отработавшие газы в начале работы успевают охладиться на пути до основного катализатора настолько, что реакция основных катализаторов улучшается весьма мало.

Второе положение находится несколько дальше от двигателя, и тепловые переменные нагрузки на носитель катализатора снижаются с другой стороны, оно ближе к основному катализатору, и его реакция улучшается. Помимо этого, преимущество второго положения состоит в том, что быстро срабатывающее катализаторы улучшают реакцию кислородного датчика 14.

Третье положение благоприятно, поскольку при реакции пусковых катализаторов 16a, 16b ускоряется и срабатывание основных катализаторов 17a, 17b, 18a, 18b. Из-за удаления от двигателя пусковые катализаторы, однако, срабатывают в этом положении позже, несмотря на нагревание.

В каждом из указанных положений пусковые катализаторы, особенно электронагреваемые пусковые катализаторы имеют, однако, значительные преимущества, поэтому от отдельных граничных условий зависит, какое из положений или их сочетание наиболее благоприятно. При этом неважно также, керамический или металлический носитель использован в блоках основных катализаторов.

На фиг. 2 и 3 показаны принципиальные схемы электрического нагревания катализаторов. На фиг. 2 катализатор 24 запитывается током от источника 20 через ключ 23. Здесь, как и на других схемах, с помощью обозначения +/-/≈ указано снабжение током от аккумулятора или переменным током от генератора, что не играет роли для сущности изобретения. В целом по достижении определенного рабочего состояния последующий электронагрев катализатора больше не нужен, поэтому ключ 23 соединен с реле времен 21 и выключателем зажигания 22. С помощью устройства (фиг. 2) принципиально возможно также, что существенно для изобретения, производить обратное переключение на эффективное в каждом случае сопротивление R(T) катализатора 24, т.е. в зависимости от температуры. В простейшем случае сопротивлением R может определяться величиной измеренного напряжения 25 и тока 26 по формуле R U(I), где U напряжение, I ток, причем напряжение может быть принято даже постоянным и известным. Сопротивление R прямо пропорционально температуре T_K носителя катализатора. Тем самым создается возможность автоматической регулировки процесса нагревания, при которой этот процесс заканчивается с момента понижения тока до заданной величины I_мин, так как это свидетельствует о достижении достаточно высокой температуры T_K. Можно также периодически кратковременным включением и измерением тока нагрева /или с помощью другой системы измерения сопротивления/ установить, превышает ли еще значение температуры катализатора T_K температуру начала каталитической реакции T_Z. Если нет, снова можно включить электронагрев, Учет изменения во времени сопротивления R носителя катализатора /в самом автомобиле или при контроле в автомастерской/ позволяет восстанавливать работоспособность катализатора, поскольку экзотермическая каталитическая реакция развивается в существенных масштабах при быстро повышении сопротивления R. В автомобиле легко осуществить соответствующую индикацию такого состояния, например, с помощью зеленой лампочки.

На фиг. 3 электрический нагрев катализатора тоже осуществляется от источника 30 через ключ 33, соединенный через реле времени 31 с выключателем зажигания 32. Однако в этом примере катализатор состоит из нескольких составных участков 34, 35, 36, 37, нагреваемых по отдельности, причем сначала более сильным током нагревается первый участок 34 и только потом остальные участки 35, 36, 37 подключаются предпочтительно последовательно.

Как поясняется на фиг. 4, можно использовать различные альтернативные системы электрического нагрева катализаторов. На этой диаграмме приведена зависимость температуры Т от времени t. Символом T_Z обозначена температура реакции обычного катализатора, например, примерно 350^oС, а t_Z момент вступления в реакцию, то есть момент начала каталитической реакции в существенных масштабах. Кривая T_A показывает ход температуры отходящих газов до катализатора во времени после пуска двигателя. Пунктирная линия T_K1 показывает температуру в электронагреваемом носителе катализатора. Если выбрать мощность нагрева катализатора такой, чтобы его температура T_K1 всегда несколько превышала температуру отходящего газа T_A, можно исключить отбор тепла у отходящего газа на нагревание носителя катализатора. Иными словами, электрическая мощность недостаточна для существенного нагрева отходящего газа, но предотвращает его охлаждение. При такой эксплуатации керамическая и каталитически активная масса катализатора нагревается снаружи отходящим газом, а изнутри одновременно через носитель катализатора, в результате чего заведомо достигается раньше температура T_Z, при которой устанавливается /экзотермическая/ реакция, что содействует дальнейшему нагреву. В связи с тем, что нельзя обеспечить любую электрическую мощность для нагревания катализаторов, возникает необходимость, согласно схеме по фиг. 3, сначала нагревать один участок, а именно передний диск катализатора, имеющий высоту в осевом направлении 3,5 6 см, для как можно более быстрого запуска экзотермической реакции. Возможное изменение температуры в этом диске показано кривой с обозначением T_K2. При этом в результате тока которого замыкания, ограниченного этим небольшим участком, температура резко повышается, например, до 600^oC, а затем переключается на нагрев остальных участков катализатора. Из-за этого первый диск снова несколько охлаждается, оставаясь, однако, в пределах достаточного предварительного нагрева выше температуры реакции, благодаря чему экзотермическая реакция с отходящим газом продолжается, что способствует дальнейшему включению в реакцию последующих участков. Кривая T_K3 показывает температуру предварительно нагретого перед пуском двигателя носителя катализатора. С начала нагрева в момент t_V до момента запуска t_S температура резко возрастает выше температуры начала реакции T_Z и больше не падает ниже этой величины.

Здесь необходимо привести некоторые принципиальные соображения относительно электронагрева катализаторов. Необходимо обратить внимание на следующее: a) если катализаторы необходимо нагревать еще до запуска двигателя, потребление мощности в общей сложности должно быть таким, чтобы время прогрева было не слишком долгим, но и аккумулятор не испытывал слишком большую нагрузку. В соответствии с предлагаемым принципом, потребление тока должно находиться в пределах 40 400 А /при 12-вольтном питании/ для того, чтобы не перегружать аккумулятора и тем не менее заметно ускорить срабатывание катализаторов.

б) если катализаторы нагреваются только после запуска двигателя, их можно запитывать дольше или с большей мощностью, соблюдая, однако, допустимую нагрузку на генератор и максимально возможные для проводки токи. Особое внимание необходимо обращать на пожароопасность электроустановок.

При этих условиях следует исходить из того, что для электронагревания катализаторов с помощью установок с напряжением 12 В необходимы токи 50 400 А, разогревающих катализаторы целиком или по секциям. Это означает, что электрическое сопротивление путей тока, служащих для нагревания катализаторов, как уже пояснялось во вводной части описания, не должно быть выше или ниже определенных значений. В случае построения блоков носителей катализатора из отдельных слоев фольги можно установить следующую зависимость для сопротивления R: где P удельное электрическое сопротивление; L длина слоя /возможно, различна для плоской и гофрированной фольги/; b толщина фольги; h высота фольги; Z число слоев.

Если катализатор составлен из N дисков высотой h, то сопротивление при последовательном соединении следует умножить на N.

Для тепла, производимого в проводнике током I, справедливо: Q U·I·t I²·R,
где Q количество тепла;
U напряжение;
I ток;
t время;
R сопротивление.

Количество тепла, необходимого для нагревания тела до температуры Т, определяется формулой
Q = C·m·ΔT
где С удельная теплоемкость;
m масса;
ΔT разность температур,
откуда можно определить время чисто резистивного нагрева

Фактическое время нагрева с учетом количества тепла, подводимого к катализатору с отходящими газами двигателя, намного короче и составляет по экспериментальным данным лишь 1/2·t_el.

В последующих примерах выполнения изобретения показаны возможности такого построения блоков носителей катализатора из металлической фольги, чтобы пути тока имели сопротивление, подходящее для электрического нагрева. При этом изобретение не ограничивается приведенными примерами, но может быть модифицировано в соответствии с известными техническими приемами. В частности, вполне равнозначны варианты, в которых используются не попеременно размещенные гладкие и гофрированные слои фольги, а фольга иной структуры, известной в технике.

На фиг. 5 показаны блоки 50 носителя катализатора, уложенные слоями в форме меандра. Такой блок 50 состоит из пакета плоской 51 и гофрированной 52 фольги, уложенной с изгибами 57. В показанном варианте пакет образован четырьмя гофрированными 52 и тремя плоскими 51 слоями фольги, причем верхняя и нижняя стороны пакета выполнены из гофрированной фольги. Между петлями меандра размещены электроизоляционные прокладки 58, предотвращающие непосредственный электрический контакт между этими петлями. На концах пакета все слои фольги электрически соединены между собой, с токоподводом 53 и токоотводом 54 или соответствующими штекерами. Весь блок расположен в корпусе или в трубчатой оболочке 55. С торцевых сторон область изгибов 57 содержит показанные пунктиром боковые крышки 56а, 56b, препятствующие возникновению нежелательных токов между изгибами 57 и корпусом 55, а также фиксирующими петли меандра и и изолирующие прокладки 58. Сопротивление такой конструкции можно менять в широких пределах числом слоев фольги в пакета, уложенных в форме меандра. Кроме того, такой конструкцией можно заполнять объемы непрямоугольной формы.

На фиг. 6 приведен пример известной конструкции катализаторного блока с изогнутыми в виде буквы U плоскими 61 и гофрированными 62 слоями фольги, которые концами закреплены на несущей стенке 65, 66, 69. Согласно изобретению и эта конструкция так разделена изолирующими прокладками 68 и несущей стенкой 65, 66, 69 на электропроводящие отрезки 65, 66 и электроизолирующую конструкцию 69, что создаются пути тока с заданным сопротивлением. Как показано стрелками, ток последовательно проходит по группам U-образных соседних пакетов фольги, причем электропроводящие участки несущей стенки образуют в каждом случае соединение со следующей группой. Внутри блока несущая стенка имеет сквозное электрическое соединение 67 с противолежащим электропроводящим участком, так что группы U-образных пакетов фольги, расположенные по разные стороны от несущей стенки 69, участвуют в пропускании тока. Токоотвод 64 выполнен в данном примере вблизи токопровода 63. Весь блок 60 носителя катализатора должен быть заключен, к тому же, например, в не показанную трубчатую оболочку, которая должна быть изолирована от внешних слоев фольги и через которую также с электроизоляцией пропускаются токоподвод 63 и токоотвод 64.

Другой пример выполнения показан на фиг. 7, 8 и 9. На фиг. 7 показана часть фольгового пакета 70 большой протяженности, который по крайней мере частично состоит из плоских и гофрированных /71 и 72 соответственно/ полос фольги. Этот пакет имеет места обжима 73 на расстоянии друг от друга. Эти участки могут быть образованы или наличием негофрированных мест на фольге, или целенаправленным обжатием. Такой пакет можно также изготовить сначала без этих сужений, затем пропаять участки соприкосновения между плоскими и гофрированными слоями и только потом обжать эти участки. Из выполненного таким образом пакета можно образовать блок 80 носителя катализатора, показанный на фиг. 8. Здесь тоже конструкция в принципе выполнена в форме меандра, только изгибы образованы утонченными участками 73 пакета 70. Таким образом легче образовать заданную форму сечения и уменьшить краевые зоны нерегулярной формы. Не обтекаемые отходящими газами сжатые участки 73 могут быть снабжены утолщениями 74 для снижения электрического сопротивления в этой зоне. Плоские 81 и гофрированные 82 слои пакета электрически соединяются на концах и завершаются токоподводом 83 или токоотводом 84, пропускаемыми через изоляторы 85, 86 в трубчатой оболочке, окружающей блок. Отдельные петли меандра и наружная сторона пакета электрически изолированы прокладками 88 друг от друга и от трубчатой оболочки. На фиг. 9 показан увеличенный вырез фиг. 8 с примером возможной изоляции от трубчатой оболочки. Эта трубчатая оболочка 90 может иметь, например, карманы 93, в которые вкладываются керамические пластинки и возможно припаиваются там. Эти керамические пластинки 98 удерживают пакет из плоской 91 и гофрированной 92 фольги на расстоянии от трубчатой оболочки 90, благодаря чему достигается как электрическая, так и тепловая изоляция. В качестве изоляции можно использовать материалы из керамического волокна или иные керамические материалы.

На фиг. 10 показан другой предпочтительный вариант выполнения в виде известного блока 100 носителя катализатора из пакета свернутой в противоположных направлениях плоской 101 и гофрированной 102 фольги. Такое построение катализаторных блоков известно и часто называется S-образным. Этот вариант дает возможность снабдить верхнюю и нижнюю стороны пакета изолирующими слоями 108 или изолирующим покрытием, благодаря чему при встречном сворачивании пакета создается сравнительно длинная дорожка электрического тока показанная стрелками. Ее длина зависит от отношения высоты исходного пакета к диаметру блока носителя катализатора. Поскольку слой 101, 102 фольги закреплены своими концами на изолированных друг от друга электропроводящих половинках 105, 106, на этих половинках можно закрепить токоподвод 103 и токоотвод 104. Половинки 105, 106 должны быть, к тому же, отделены друг от друга, например, изолятором 107, причем изолирующие слои 108 должны оканчиваться именно в области этого изолятора 107. Всю конструкцию обычно помещают в не изображенную трубчатую оболочку, через которую пропускается токоподвод 103 и токоотвод 104 в изоляции. Практически во всех примерах выполнения можно отказаться от токоотвода, если выполнить хорошо проводящее соединение с корпусом и, тем самым, с массой автомобиля. Со встречно свернутым пакетом фольги можно выполнить известным образом много других вариантов, так что этот пример не ограничивается круглым сечением.

Если достигаемое электрическое сопротивление блока носителя катализатора с электронагревом, построенного в соответствии с фиг. 10, не должно быть высоким с учетом заданной длины в осевом направлении, можно составить несколько дисков друг за другом, например, в соответствии с фиг. 11. В показанном примере объединены четыре диска 100, выполненных с соответствии фиг. 10 и имеющих высоту h, причем последовательное соединение дисков осуществлено полуцилиндрическими половинками 116, объединяющими каждая два диска. Блок содержит токоподвод 113 и до четырех токоотводов 104 каждый из которых присоединен в схему через закорачивающие переключатели 115a, 115b, 115c. Зазоры 118 между дисками 100 предназначены для электроизоляции в осевом направлении, а весь блок снова электроизолирован в не показанной трубчатой оболочке. Схематически показанное электрическое соединение в этой конструкции работает следующим образом.

В начале эксплуатации можно подать на первый по направлению потока отработавшего газа диск 100 очень сильный ток, соответствующий сопротивлению этого диска, замкнув ключ 115а. Происходит быстрое нагревание, соответствующее началу кривой T_K2 на фиг. 4. После определенного интервала, например, 10 секунд, можно разомкнуть ключ 115а, так что при разомкнутых ключах 115b, 115c все диски получают в четыре раза меньший ток для дальнейшего нагревания. Возможно также последовательное размыкание поодиночке ключей 115a, 115b, и 115c в заданные моменты для нагревания катализатора отдельными дисками с уменьшенной мощностью. Это позволяет быстро включить катализатор в работу при кратковременном высоком потреблении тока.

На фиг. 12 и 13 снова изображен S-образный электронагреваемый блок носителя катализатора в поперечном сечении /фиг. 12/ и в продольном разрезе /фиг. 13/. На фиг. 12, наряду с аналогичным фиг. 10 собственно блоком носителя 120 из встречно свернутых полос плоской 121 и гофрированной 122 фольги, показано также закрепление этой системы и вводов в трубчатой оболочке 127a, 127b. Эта оболочка состоит из двух половинок 127a, 127b, электрически отделенных друг от друга керамическими изоляторами 129, 130. Внутри этих половинок 127a, 127b и электроизолировано от них проходят другие половинки 125, 126, соединенные с токоподводом 123 или токоотводом 124. Электрическое соединение и изоляционные слои 128 аналогичны фиг. 10. Провода 123, 124 выходят наружу через керамический изолятор 129. Как видно из фиг. 13, два таких блока 120а, 120b можно, расположив из друг за другом и включив последовательно, поместить в трубчатую оболочку.

На фиг. 14 показан в качестве примера блок 140 носителя катализатора, обтекаемый током 1 по стрелке, примерно в осевом направлении, возможно, по меандру, а также конструкция закрепления этого блока в трубчатой оболочке 141, изображенной в осевом продольном разрезе. На одном конце блок 140 надежно электрически соединен, например, посредством металлического кольца 142 с трубчатой оболочкой 141. Другой конец отделен от трубчатой оболочки 141 электроизолирующей распоркой 148, представляющей собой разновидность подвижного соединения. С одного или обоих торцов блок снабжен хорошо проводящим присоединительным подкосом 146, способствующим равномерному распределению сильного электрического тока 1 по блоку 140 носителя катализатора. Этот подкос 146 входит на некоторую глубину, например, около 3 - 10 мм в осевом направлении в блок 140 носителя катализатора и хорошо закреплен к слоям фольги, например, твердым припоем. К подкосу 146 электрически присоединен подвод 143, пропущенный наружу через изолятор 145 в трубчатой оболочке 141. Этот подвод 143 содержит упруго деформируемый участок 144, способный компенсировать колебания длины блока 140 носителя катализатора, вызванные изменениями температуры. Подвод 143, 144 может быть выполнен, например, из изогнутой полоски толстой жести, устойчивой к коррозии при высокой температуре.

Фиг. 15 и 16 поясняют варианты размещения присоединительного подкоса в торце блока носителя катализатора. В блоке 150 по фиг. 15, намотанном из плоских 151 и гофрированных 152 полос фольги, установлен прямой подкос в соответствующей прорези в торце. На фиг. 16 показана торцевая сторона блока 160 носителя катализатора и S-образно свернутых полос фольги 161, 162. Присоединительные подкосы 166 при этом тоже имеют S-образную форму. Такая конструкция создается, например, когда подкос 166 закладывается в пакет при его сворачивании навстречу концами друг к другу.

На фиг. 17 схематически показано соединение с геометрическим замыканием двух изолированных друг от друга слоев фольги 171, 172, которое способно воспринимать обозначенные стрелкой усилия в осевом направлении. Здесь показан продольный разрез по двум соприкасающимся слоям фольги 171, 172 в области такого соединения с геометрическим замыканием 173. Выполнить такое соединение можно, например, желобчатой формовкой блоков носителей катализатора в направлении, примерно перпендикулярном продольному, или отдельными гофрами. Изоляционный слой 178, например, из керамического материала отделяет друг от друга слои фольги 171, 172. Если глубина d этих пазов или гофр или подобных желобков больше, чем толщина изоляционного слоя 178, этот слой при осевых нагрузках соединения 173 с геометрическим замыканием работает на растяжение, а в основном на сжатие, благодаря чему достигается высокая прочность соединения в осевом направлении.

Изобретение и приведенные примеры его выполнения принципиально рассчитаны как на электронагревание пусковых катализаторов, так и основных катализаторов при наличии достаточной электрической мощности. Совместное включение нескольких блоков носителя катализатора параллельно или последовательно возможно в зависимости от заданных условий и размеров. При работающем двигателе и генерировании тока катализаторы можно нагревать и непосредственно переменным током, в связи с чем не вся потребляемая мощность должна предварительно проходить через выпрямитель. В отличие от других электрических устройств в автомобиле блоки носителя катализатора нечувствительны к колебаниям напряжения и поэтому могут запитываться также от нерегулируемого, вспомогательного источника напряжения. Предложенные блоки носителя катализатора предназначены для снижения выброса вредных веществ при особенно жестких требованиях к выхлопу в период пуска холодного двигателя автомобиля. Описанная ячеистая конструкция, хотя и предназначена в основном для использования в катализаторах автомобиля, может быть и другие области использования, например, в качестве нагревателя или испарителя для летучих жидкостей и т.д. 2 4 6 8 10 12 14

Формула изобретения

1. Электропроводящая ячеистая конструкция носителя катализатора для выхлопных газов преимущественно двигателя внутреннего сгорания, выполненная в виде электропроводящих ячеистых блоков, установленных в корпусе с образованием слоями частично или полностью структурированных, преимущественно плоского и гофрированного листов фольги, намотанных с образованием газовых каналов и размещенных в пакете, причем блоки выполнены с поперечным сечением в форме круга со слоями, намотанными навстречу один другому или покрыты слоями в форме меандра, листы фольги выполнены толщиной, составляющей 0,03-0,12 мм, предпочтительно 0,03-0,06 мм, отличающаяся тем, что блоки частично установлены с зазором один относительно другого и/или снабжены радиальными и/или аксиальными электроизолирующими прокладками и/или покрытиями, расположенными по поверхности поперечного сечения и/или вдоль оси блока с образованием электропроводящих по длине участков с электрическим сопротивлением, составляющим 0,03-2,0 Ом, предпочтительно 0,1-1,0 Ом.

2. Конструкция по п.1, отличающаяся тем, что она снабжена электропроводящими перемычками, электрически соединяющими последовательно каждый электропроводящий участок внутри блока или блоков между собой.

3. Конструкция по пп. 1,2, отличающаяся тем, что электропроводящий участок образован не менее, чем четырьмя параллельными соседними слоями фольги, сообщенными с предпочтительно от восьми до двенадцати слоями.

4. Конструкция по пп. 1-3, отличающаяся тем, что при форме поперечного сечения блока в виде меандра по меньшей мере четыре параллельных соседних слоя фольги изогнуты и в области изгиба выполнены плоскими и снабжены утолщениями.

5. Конструкция по пп. 1-3, отличающаяся тем, что она снабжена несущей стенкой с электропроводящими изолированными один от другого участками, слои выполнены U- образной формы, закреплены на несущей стенке и каждый слой посредством электропроводящих участков соединен с по меньшей мере одним слоем.

6. Конструкция по пп. 1-3, отличающаяся тем, что электроизолирующие прокладки размещены на верхней и нижней частях пакета, образованного встречно свернутыми слоями фольги, концы которых электрически соединены один с другим и снабжены токоподводами для соединения с обоими полюсами источника тока.

7. Конструкция по пп. 1-6, отличающаяся тем, что при поперечном сечении блока, выполненном в виде круга, высота пакета составляет менее трети диаметра поперечного сечения.

8. Конструкция по пп. 1-7, отличающаяся тем, что блоки выполнены в виде дисков, расположенных один за другим и электрически соединенных параллельно или последовательно.

9. Конструкция по пп. 1-8, отличающаяся тем, что электроизолирующие прокладки или покрытия выполнены в виде зернистого керамического материала, нанесенного предпочтительно газопламенным напылением.

10. Конструкция по пп. 1-8, отличающаяся тем, что электроизолирующие прокладки выполнены из керамических частиц или керамических волокнистых матов.

11. Конструкция по п.10, отличающаяся тем, что между фольгой и корпусом размещены керамические пластины, припаянные к последнему.

12. Конструкция по пп. 1-11, отличающаяся тем, что электроизолированные один относительно другого слои фольги взаимно зафиксированы от осевого смещения с помощью соединений с геометрическим замыканием, содержащих керамическую прокладку.

13. Конструкция по пп. 1-12, отличающаяся тем, что обтекаемый электрическим током в осевом направлении блок снабжен по меньшей мере одним электропроводящим присоединительным подкосом, размещенным по меньшей мере с одной торцовой стороны.

14. Конструкция по п. 13, отличающаяся тем, что присоединительный подкос связан с упругим выводом, пропущенным через изолятор наружу, выполненным из электропроводящего термостойкого материала с возможностью восприятия относительных перемещений между присоединительным подкосом и изолятором.

15. Способ контроля при эксплуатации электропроводящей ячеистой конструкции носителя катализатора в системе выпуска двигателя, по крайней мере частично изолированного от оболочки и фиксаторов и имеющего каталитически активное покрытие путем пропускания электрического тока через носитель, отличающийся тем, что измеряют электрическое сопротивление, пропорциональное температуре, в целом по носителю или в его отдельном участке и измеренное значение фиксируют на электронной системе контроля и/или регулирования.

16. Способ по п. 15, отличающийся тем, что величину электрического сопротивления носителя сравнивают с заданным пороговым значением и в случае превышения заданного порогового значения над измеренным значением сопротивления осуществляют подвод к носителю электрической энергии для достижения заданного порогового значения или повторного достижения этого значения, причем заданное пороговое значение определяют, исходя из сопротивления носителя, при температуре, превышающей температуру начала каталитической реакции.

17. Способ по пп. 15,16, отличающийся тем, что сопротивление носителя катализатора измеряют с заданным интервалом, причем по крайней мере кратковременно измеряют мощность, потребляемую на нагревание носителя, или величину, пропорциональную мощности.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17