УЗЕЛ ТРУБЫ В КАНАЛЕ ДЛЯ ГАЗООБРАЗНОЙ СРЕДЫ
PIPE UNIT IN CHANNEL FOR GASEOUS MEDIUM

ПРЕДПОСЫЛКИ К СОЗДАНИЮ ИЗОБРЕТЕНИЯ И
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к узлу трубы в трубопроводе для газообразной среды согласно ограничительной части п.1 формулы изобретения.
x
Известным способом снижения содержания оксидов азота NO в выхлопных газах двигателя внутреннего сгорания является направление части выхлопных газов обратно на впуск двигателя по возвратной линии. Возвратная линия для рециркуляции выхлопных газов содержит множество труб и компонентов, таких как клапан рециркуляции выхлопных газов (клапан EGR) и охладитель выхлопных газов (EGC) для охлаждения выхлопных газов прежде, чем они будут смешаны с воздухом и поданы в двигатель. Возвратная линия для выхлопных газов проходит с горячей стороны двигателя, на которой расположена выхлопная линия, на холодную сторону двигателя, на которой в двигатель подается воздух. Во время работы двигателя различные трубы и компоненты в возвратной линии подвергаются вибрациям и тепловым нагрузкам. Известным способом предотвращения развития чрезмерных напряжений в возвратной линии является соединение соседних труб в возвратной линии через контактные поверхности, которые допускают некоторую подвижность труб относительно друг друга. Такие контактные поверхности, однако, повышают риск утечек в местах соединений соседних труб. Известной практикой является применение уплотнительных колец из чугуна или стали для уплотнения контактных поверхностей соседних труб в трубопроводе, но получить полностью герметичные соединения между контактными поверхностями с помощью жестких металлических уплотнительных колец бывает трудно.
DE 19833617 относится к соединению между двумя трубами в трубопроводе для выхлопных газов. Эти две трубы соединены друг с другом с помощью сферических контактных поверхностей так, что трубы в установленном состоянии обладают подвижностью относительно друг друга, однако они не могут перемещаться относительно друг друга в осевом направлении. Вокруг соединения между двумя трубами установлена трубчатая газонепроницаемая металлическая муфта. Эта муфта прочно соединена с внешней поверхностью каждой трубы. Такая муфта предотвращает дальнейшее распространение выхлопных газов, которые вытекают между контактными поверхностями труб. При монтаже описанного трубопровода сначала нужно ввести во взаимное зацепление сферические контактные поверхности двух трубчатых элементов, а затем прочно приварить муфту к внешним поверхностям соответствующих труб. Операция сварки является частью процесса сборки трубопровода и требует затрат времени и всегда сопряжена с риском появления дефектов на муфте или трубах в результате сварочных работ.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью настоящего изобретения является создание узла трубы, с помощью которой можно создать прочное и герметичное соединение с примыкающими трубами в трубопроводе, при этом такое соединения может создаваться легко и быстро.
Эти цели достигаются в устройстве, относящемся к типу, описанному выше, и которое характеризуется признаками, указанными в отличительной части п.1 формулы изобретения. Узел трубы снабжен контактной поверхностью, которая в состоянии соединения с контактной поверхностью примыкающей трубы обеспечивает подвижность между контактными поверхностями и, следовательно, подвижность между узлом трубы и примыкающей трубой. Такая подвижность по существу предотвращает возникновение напряжений между узлом трубы и примыкающей трубой, когда на них действуют механические и тепловые нагрузки. Хотя контактная поверхность узла трубы и контактная поверхность примыкающей трубы расположены так, чтобы обеспечить подвижность относительно друг друга, они могут относительно хорошо предотвращать утечки газообразной среды, однако некоторые утечки между контактными поверхностями неизбежны. Для получения полностью герметичного соединения между узлом трубы и примыкающей трубой, узел трубы снабжен трубчатым гибким уплотняющим средством.
Узел трубы преимущественно является заранее изготавливаемым компонентом в форме трубчатого тела, снабженного расположенной рядом с по меньшей мере одним концевым участком контактной поверхности и уплотняющим средством. Такой узел трубы можно устанавливать как часть трубопровода. Когда узел трубы нужно соединить с трубой в трубопроводе, контактную поверхность узла трубы вводят в зацепление с контактной поверхностью примыкающей трубы. Затем элемент фланца уплотняющего средства соединяют с элементом фланца примыкающей трубы соответствующим соединительным средством. Трубчатое уплотняющее средство, таким образом, соединено и с узлом трубы, и с примыкающей трубой. В этом состоянии трубчатое уплотняющее средство образует герметичный кожух вокруг контактных поверхностей узла трубы и примыкающей трубы. Трубчатое уплотняющее средство, таким образом, препятствует утечке в окружающую среду любой газообразной среды, проходящей через контактные поверхности. Поскольку уплотняющее средство является гибким, оно не мешает взаимной подвижности между трубопроводом и примыкающей трубой. Узел трубы можно снять, отсоединив соединительное средство, тем самым отсоединив уплотняющее средство от примыкающей трубы, что позволяет отсоединить узел трубы от примыкающей трубы. Узел трубы, таким образом, можно очень быстро и легко установить на трубопровод и снять с него.
Согласно предпочтительному варианту настоящего изобретения элементы фланца на другом конце трубчатого гибкого уплотняющего средства, имеют крепежную поверхность, которая образует угол с крепежной поверхностью фланцевых элементов примыкающей трубы, поэтому имеется возможность соединять и спрессовывать фланцевые элементы с помощью V-образного хомута. V-образный хомут содержит ленточный элемент, который можно затягивать вокруг объекта с помощью винта или болта. Когда винт или болт хомута в такой ситуации затянут, фланцевые элементы с очень большой силой прижимаются друг к другу. Это позволяет создать герметичное соединение между гибким уплотнительным средством и примыкающей трубой. Узел трубы можно очень быстро и надежно устанавливать на трубопровод и снимать с него с помощью V-образного хомута.
Согласно другому предпочтительному варианту изобретения трубчатое гибкое уплотняющее средство принимает форму гофрированной трубы. Гофрированная труба может изгибаться по существу в любом направлении. Она также может упруго изменять свою длину. Гофрированное уплотняющее средство, таким образом, допускает большую часть взаимных перемещений между узлом трубы и примыкающей трубой. Гофрированное уплотняющее средство преимущественно сконфигурировано так, чтобы иметь возможность выдерживать высокие давления и высокие температуры газообразной среды. Гофрированная труба преимущественно выполнена из металлического материала, имеющего соответствующие характеристики.
Согласно другому предпочтительному варианту изобретения контактная поверхность трубчатого тела и контактная поверхность примыкающей трубы сконфигурированы так, чтобы узел трубы, имел подвижность в осевом направлении относительно примыкающей трубы, и чтобы его можно было установить под углом к примыкающей трубе, когда они находятся в соединенном состоянии. Узел трубы, который можно установить под углом к примыкающей трубе, эффективно предотвращает возникновение напряжений в соединении между трубами, когда они подвержены вибрациям. Когда трубы в трубопроводе нагреваются газообразной средой, они расширяются в продольном направлении. Узел трубы, который имеет возможность двигаться в осевом направлении относительно примыкающей трубы, эффективно предотвращает возникновение напряжений на соединении в результате такого продольного расширения.
Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения контактная поверхность трубчатого тела принимает форму части внешней поверхности трубчатого тела, где внешняя поверхность имеет выпуклую форму, а контактная поверхность примыкающей трубы принимает форму части внутренней поверхности трубы, которая находится на постоянном расстоянии от центральной оси трубы. Контактная поверхность узла трубы преимущественно принимает форму части сферической поверхности. Контактная поверхность узла трубы в этом случае может и устанавливаться под углом, и перемещаться в осевом направлении относительно контактной поверхности примыкающей трубы. Контактная поверхность трубчатого тела может принимать форму внешней поверхности кольцевого контактного средства, прикрепленного к концевому участку трубчатого тела. Кольцевое контактное средство может быть прикреплено к концевому участку трубчатого тела пайкой твердым припоем, сваркой, обжатием и пр. Такое кольцевое контактное средство позволяет легко создать контактную поверхность соответствующей формы на трубчатом теле. Альтернативно, контактной поверхностью может быть гомогенный участок трубчатого тела.
Согласно другому предпочтительному варианту изобретения, прочное соединение трубчатого гибкого уплотняющего средства с внешней поверхностью трубчатого тела содержит сварное соединение. Сварное соединение является относительно легким способом достижения газонепроницаемого прочного соединения между трубчатым гибким уплотняющим средством и узлом трубы. Поскольку уплотняющее средство прочно приваривается к узлу трубы до того, как узел трубы устанавливается на трубопровод, сварочную операцию можно выполнять в нужном месте в управляемых условиях, по существу устраняя риск повреждения узла трубы.
Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения узел трубы снабжен контактными поверхностями и уплотняющими средствами на обоих концевых участках. Это позволяет легко вставлять узел трубы в трубопровод между двумя примыкающими трубами. Преимущественно, контактные поверхности и уплотняющие средства на обоих концах узла трубы имеют одинаковые размеры и форму. Установка узла трубы, таким образом, дополнительно облегчается, поскольку не имеет значения, какой именно конец узла трубы крепится к примыкающей трубе в трубопроводе.
Согласно другому предпочтительному варианту настоящего изобретения узел трубы может являться частью трубопровода для рециркуляции выхлопных газов, который по меньшей мере частично прикреплен к двигателю внутреннего сгорания. Трубопроводы для рециркуляции выхлопных газов проходят между горячей стороной двигателя, из которой выводятся выхлопные газы, и холодной стороной двигателя, на которой в двигатель подается воздух. Таким образом, трубопровод преимущественно прикреплен к двигателю. Трубопроводы для рециркуляции выхлопных газов, таким образом, подвергаются вибрациям создаваемым двигателем. Трубопровод для рециркуляции выхлопных газов также подвергается высоким тепловым нагрузкам, когда выхлопные газы имеют высокую температуру. Узел трубы по настоящему изобретению прекрасно подходит для использования в качестве компонента трубопровода для рециркуляции выхлопных газов, поскольку он эффективно предотвращает возникновение напряжений, вызванных механическими и тепловыми нагрузками. Узел трубы может использоваться для установки в трубопровод между коллектором, который принимает выхлопные газы из выхлопной линии двигателя, и трубой, которая содержит клапан EGR, но такой узел трубы можно устанавливать и в других частях трубопровода.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Далее следует описание предпочтительного варианта настоящего изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
Фиг.1 - часть трубопровода для рециркуляции выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания.
Фиг.2 - сечение узла трубы по Фиг.1 в отсоединенном состоянии.
Фиг.3 - сечение соединения между узлом трубы и коллектором по Фиг.1.
Фиг.4 - сечение соединения между узлом трубы и трубой с клапаном EGR по Фиг.1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНОГО ВАРИАНТА ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 показана часть трубопровода для рециркуляции выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания. Двигатель может быть дизельным двигателем. Трубопровод содержит коллектор 2 для приема выхлопных газов и не показанной выхлопной линии двигателя. Возвращаемые на впуск выхлопные газы в трубопроводе текут из коллектора 2 в узел 3 трубы. Из узла 3 трубы выхлопные газы направляются в трубу 4, в которой расположен клапан EGR. Возвращаемые на впуск выхлопные газы затем подаются на не показанный охладитель выхлопных газов, где они охлаждаются перед смешиванием с воздухом, и подаются в двигатель. Трубопровод направляет возвращаемые на впуск выхлопные газы с горячей стороны двигателя, где расположена выхлопная линия, на холодную сторону двигателя, на которой в двигатель подается воздух. Коллектор 2 прикреплен к двигателю множеством крепежных средств 5, которые могут быть болтами. Труба 4, в которой расположен клапан EGR, также прикреплена к двигателю множеством крепежных элементов 6, которые могут быть болтами.
Во время работы двигателя трубопровод подвергается воздействию вибраций от двигателя и тепловым нагрузкам от горячих выхлопных газов. Выхлопные газы дизельного двигателя могут иметь температуру 600-700°С. Узел 3 трубы служит в этом случае соединением между коллектором 2 и трубой 4, в которой расположен клапан EGR. Узел 3 трубы выполнен с возможностью разъемного соединения с соединительной частью 2а коллектора 3 с помощью V-образного хомута 7. Диаметр соединительной части 2а коллектора немного больше, чем диаметр остального коллектора. Это позволяет вставить узел 3 трубы на небольшое расстояние внутрь соединительной части 2а коллектора. Узел 3 трубы содержит первое трубчатое гибкое уплотняющее средство 8, которое гарантирует отсутствие утечек из соединения между узлом 3 трубы и коллектором 2. Узел 3 трубы имеет противоположный конец, соединенный вторым V-образным хомутом 9 с соединительной частью 4а трубы 4, в которой расположен клапан EGR. И в этом случае диаметр соединительной части 4а трубы немного больше диаметра остальной части трубы. Это позволяет вставить узел 3 трубы на небольшое расстояние в соединительную часть 4а трубы. Узел 3 трубы содержит второе трубчатое гибкое соединительное средство 10, которое гарантирует отсутствие утечек выхлопных газов через соединение между узлом трубы и трубой 4, в которой расположен клапан EGR.
1
1
1
1
1
1
2
2
На Фиг.2 показан узел 3 трубы в отсоединенном состоянии. Узел 3 трубы преимущественно является компонентом, изготовленным заранее, который соединен с примыкающими трубами 2, 4 в трубопроводе 1 для рециркуляции выхлопных газов. Узел 3 трубы содержит трубчатое тело 11. Трубчатое тело 11 содержит трубу 11а, первое кольцевое контактное средство 11b, расположенное на одном конце трубы 11а, и второе кольцевое контактное средство 11с, расположенное на противоположном конце трубы 11а. Кольцевые контактные средства 11b, 11с в этом случае идентичны по размеру и форме. Каждое из них имеет внешнюю контактную поверхность 11b, 11c, проходящую по кольцу вокруг центральной оси 12 трубчатого тела 11. Внешние контактные поверхности 11b, 11c имеют выпуклую криволинейную форму. Поэтому расстояние между ними и центральной осью несколько изменяется в осевом направлении. Внешние контактные поверхности 11b, 11c расположены на большем радиальном расстоянии от центральной оси 12, чем внешняя поверхность трубы 11а. Каждое из кольцевых контактных средств 11b, 11c расположено на том же радиальном расстоянии от центральной оси 12, что и внутренняя поверхность трубы 11а. Каждое их кольцевых контактных средств 11b, 11c имеет внутреннюю поверхность 11b, 11c, расположенную на том же радиальном расстоянии от центральной оси 12, что и внутренняя поверхность трубы 11а. Таким образом, трубчатое тело 11 имеет проточный канал постоянного сечения для возвращаемых на впуск выхлопных газов. Кольцевые контактные средства 11b, 11c прочно прикреплены к концам трубы 11а, например, сваркой, пайкой твердым припоем или обжатием.
1
Узел 3 трубы, таким образом, имеет первое трубчатое гибкое уплотняющее средство 8 для предотвращения утечки выхлопных газов через соединение между узлом 3 трубы и коллектором 2. Уплотняющее средство 8 является гофрированным и может быть выполнено из подходящего металлического материала, который выдерживает высокое давление и высокую температуру. Уплотняющее средство 8 надевается радиально снаружи на трубу 11а. Один конец уплотняющего средства 8 прочно соединен с внешней поверхностью трубы 11а. Уплотняющее средство 8 в данном случае снабжено кольцевым элементом 8а, который прочно приварен к внешней поверхности трубы 11а. На противоположном конце уплотняющее средство 8 снабжено кольцевым фланцевым элементом 8b. Фланцевый элемент 8b имеет радиальную внешнюю поверхность 8b, расположенную под углом к центральной оси 12 трубчатого тела. Фланцевый элемент 8b прикреплен к внешней поверхности уплотняющего средства 8 сварным соединением или подобным способом.
1
Узел 3 трубы на противоположном конце имеет второе трубчатое гибкое уплотняющее средство 10 для предотвращения утечки выхлопных газов через соединение между узлом 3 трубы и трубой 4, в которой расположен клапан EGR. И в этом случае уплотняющее средство 10 является гофрированным и может быть выполнено из подходящего металлического материала. Уплотняющее средство 10 расположено радиально снаружи на трубе 11а. Один конец уплотняющего средства 10 прочно соединен с внешней поверхностью трубы 11а. И в этом случае уплотняющее средство 10 снабжено кольцевым элементом 10а, который прочно приварен к внешней поверхности трубы 11а. На противоположном конце уплотняющее средство 10 снабжено кольцевым фланцевым элементом 10b. Фланцевый элемент 10b имеет радиальную внешнюю поверхность 10b, расположенную под углом к центральной оси 12 трубчатого тела. Фланцевый элемент 10b прикреплен к внешней поверхности уплотняющего средства 10 сварным соединением или подобным способом.
1
1
1
1
1
На Фиг.3 более подробно показано соединение между узлом 3 трубы и коллектором 2. Коллектор имеет соединительную часть 2а, которая имеет несколько больший диаметр, чем остальной коллектор. Соединительная часть 2а имеет внутреннюю контактную поверхность 2а, которая предназначена для контакта с контактной поверхностью 11b контактного средства 11b, когда узел 3 трубы вставлен в соединительную часть 2а. Контактная поверхность 2а соединительной части проходит по кольцу вокруг центральной оси 13 соединительной части 2а коллектора. Контактная поверхность 2а находится на постоянном радиальном расстоянии от центральной оси 13. Фланцевый элемент 2b расположен на одном конце соединительной части 2а. Фланцевый элемент 2b имеет радиальную внешнюю поверхность 2b, проходящую под углом к центральной оси 13. Фланцевый элемент 2b аналогичен по размеру и форме фланцевому элементу 8b на уплотняющем средстве 8.
1
1
1
1
На Фиг.4 более подробно показано соединение между узлом 3 трубы и трубой 4, в которой расположен клапан EGR. Труба 4 имеет соединительную часть 4а, которая имеет несколько больший диаметр, чем остальная труба. Соединительная часть 4а имеет внутреннюю контактную поверхность 4а, которая предназначена для контакта с контактной поверхностью 11с1 контактного средства 11с, когда узел 3 трубы вставлен в соединительную часть 4а. Контактная поверхность 4а соединительной части проходит по кольцу вокруг центральной оси 14 соединительной части 4а трубы. Контактная поверхность 4а находится на постоянном радиальном расстоянии от центральной оси 14. Фланцевый элемент 4b расположен на одном конце соединительной части 4а. Фланцевый элемент 4b имеет радиальную внешнюю поверхность 4b, проходящую под углом к центральной оси 14. Фланцевый элемент 4b аналогичен по размеру и форме фланцевому элементу 10b на уплотняющем средстве 10.
1
1
1
1
1
1
1
Сборка трубопровода 1 может выполняться в соответствии со следующей процедурой. Коллектор 2 сначала крепят к двигателю крепежными средствами 5. Трубу 4, в которой расположен клапан EGR, крепят на двигателе крепежными средствами 6. Контактное средство 11b узла 3 трубы затем вставляют в соединительную часть 2а коллектора. Внутренняя контактная поверхность 2а соединительного участка находится, по существу, на том же радиальном расстоянии от центральной оси 13, что и максимальное расстояние криволинейной контактной поверхности 11b от центральной оси 12. Поскольку контактная поверхность 2а находится на постоянном расстоянии от центральной оси 13, контактное средство 11b узла 3 трубы можно вставить в соединительный участок 2а коллектора в требуемое осевое положение. Во вставленном состоянии выпуклая криволинейная контактная поверхность 11b узла 3 трубы находится в контакте с планарной контактной поверхностью 2а коллектора. Такие контактные поверхности позволяют устанавливать узел 3 трубы под углом к коллектору. Такая подвижность узла 3 трубы позволяет вставить контактное средство 11с на противоположном конце узла 3 трубы в соединительную часть 4а. Внутренняя контактная поверхность 4а соединительной части находится на радиальном расстоянии от центральной оси 14, которое соответствует максимальному расстоянию криволинейной контактной поверхности 11с1 от центральной оси 12. Поскольку контактная поверхность 4а находится на постоянном радиальном расстоянии от центральной оси 14, контактное средство 11с узла 3 трубы можно вставить в соединительную часть 4а трубы в требуемое осевое положение.
1
1
1
1
Затем на наклонные поверхности 2b, 8b фланцевых элементов надевают первый V-образный хомут и затягивают его так, чтобы фланцевые элементы прижались друг к другу. Таким образом, создают герметичное соединение между уплотняющим средством 8 и коллектором 2. Поскольку уплотняющее средство 8 газонепроницаемо соединено с трубой 11а, одновременно возникает герметичное соединение между коллектором и узлом 3 трубы. Затем на наклонные поверхности 4b, 10b фланцевых элементов надевают второй V-образный хомут 9 и затягивают его так, чтобы они прижались друг к другу. Таким образом, возникает герметичное соединение между уплотняющим средством 10 и трубой 4. Поскольку уплотняющее средство 10 прочно соединено на противоположном конце с внешней поверхностью трубы 11а, одновременно возникает герметичное соединение седлу узлом 3 трубы и трубой 4, в которой расположен клапан EGR. Таким образом, можно очень легко вставить узел 3 трубы в трубопровод 1. Трубы 2, 3 и 4, разумеется, можно соединять и в другой последовательности.
1
1
1
1
В собранном состоянии выпуклые криволинейные контактные поверхности 11b, 11c узла 3 трубы находятся в контакте с контактными поверхностями 2а, 4а примыкающих труб 2, 4, которые находятся на постоянном расстоянии от их соответствующих центральных осей 13, 14. Такие контактные поверхности позволяют позиционировать узел 3 трубы под углом относительно примыкающих труб 2, 4. Узел 3 трубы также может перемещаться в осевом направлении относительно примыкающих труб 2, 4. Когда двигатель работает, вибрации передаются на коллектор 2 и трубу 4, которые прикреплены к двигателю. Тот факт, что узел 3 трубы можно установить под углом к примыкающим трубам 2, 4, означает, что вибрации от двигателя по существу не создают напряжений на соединениях между узлом 3 трубы и примыкающими трубами 2, 4. Компоненты трубопровода нагреваются возвращаемыми на впуск выхлопными газами. Изменение длины узла 3 трубы и примыкающих труб 2, 4 при изменении их температуры в этом случае приводит к линейному осевому перемещению между узлом 3 трубы и соответствующими примыкающими трубами 2, 4, предотвращая возникновение напряжений на их соединениях.
1
1
1
1
Контактные поверхности 11b, 11с узла 3 трубы и контактные поверхности 2а, 4а примыкающих труб 2, 4 достаточно хорошо предотвращают утечку выхлопных газов между контактными поверхностями, но уплотняющие средства 8, 10 гарантируют, что любые выхлопные газы, просочившиеся между контактными поверхностями, не смогут вытечь дальше в окружающую среду. Тот факт, что уплотняющие средства 8, 10 являются гибкими, не ухудшает способность узла 3 трубы к установке под углом и к перемещению в осевом направлении относительно примыкающих труб 2, 4.
Настоящее изобретение ни в коем случае не ограничивается описанным вариантом, и может быть свободно изменено в пределах объема приложенной формулы. В описанном варианте узел 3 трубы имеет идентичные уплотняющие средства 8, 10, и контактные средства 11b и 11с на обоих концах, но эти компоненты могут отличаться по размеру и форме в зависимости от того, к каким трубам они должны быть подсоединены. Описание является примером реализации настоящего изобретения в отношении возврата выхлопных газов в двигатель внутреннего сгорания, но изобретение в альтернативных вариантах может использоваться и в других линиях, которые образуют часть выхлопной системы двигателя внутреннего сгорания и в любых других случаях, где возникают подобные проблемы и действуют подобные требования.