КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КОЛЛЕКТОР СИСТЕМЫ ВЫХЛОПА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, преимущественно автомобилестроению, в частности к средствам снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).
Современные требования по допустимому уровню токсичности отработавших газов автомобильных двигателей внутреннего сгорания обусловили введение в конструкцию тракта системы выхлопа каталитических нейтрализаторов.
В настоящее время нашли широкое распространение две концепции конструктивного построения каталитических нейтрализаторов - с керамическими и металлическими блоками-носителями.
Нейтрализаторы с керамическими блоками-носителями представляют собой достаточно сложную конструкцию, что вызвано прежде всего тем, что коэффициенты теплового расширения керамики и металла (из которого изготовлен корпус нейтрализатора) значительно отличаются. Поэтому между блоком-носителя и корпусом устанавливаются различные по конструктивному исполнению температурные компенсаторы, в виде, например, прокладок, крепежных матов и др., с применением специальных клеевых составов, см. Европейскую заявку №0366484, МКИ F 01 N 3/28, публ. 02.05.90. Существует много проблем, связанных с обеспечением долговечности и надежности работы термических компенсаторов, материал которых подвергается разрушительному воздействию горячих, химически активных отработавших газов.
Конструкции нейтрализаторов с керамическими блоками отличаются не только высокой стоимостью в изготовлении, но и
значительными массо-габаритными показателями, что делает весьма проблематичным использование их на современных легковых автомобилях, в условиях стесненного пространства как в моторном отсеке, так и между днищем автомобиля и дорогой, поскольку для выполнения жестких норм по токсичности требуется увеличение размеров блоков-носителей.
Более прогрессивной конструкцией нейтрализатора, с точки зрения упрощения конструкции, снижения стоимости изготовления, надежности и долговечности является устройство нейтрализатора с металлическим блоком-носителем.
В качестве примера можно привести каталитический нейтрализатор, описанный в авторском свидетельстве СССР №1483064, МКИ 4 01 N 3/28, БИ 20/89, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками и металлический блок-носитель катализатора, установленный в корпусе и состоящий из двух лент, внутренняя из которых выполнена гофрированной, а внешняя - гладкой, причем ленты намотаны вокруг центрального тела, соединенного с корпусом при помощи радиальных спиц, расположенных со стороны торцов блока-носителя. Блок-носитель закреплен в корпусе посредством специальных бандажей, закрепленных сваркой на корпусе, при этом бандаж внахлест контактируя с боковыми стенками блока-носителя неподвижно фиксируют его в осевом направлении. Патрубки закреплены на корпусе посредством фланцевого соединения крепежными элементами.
Анализируя описанное устройство можно отметить сложность его конструкции, которая обуславливает неоптимальность массо-габаритных показателей. Одновременно с этим, наличие монтажных бандажей приводит к неоптимальному использованию каталитического вещества в периферийной зоне тела блока-носителя, поскольку внахлест размещенные на боковых стенках блока-носителя торцы бандажей препятствуют проникновению в тело каталитического носителя отработавших газов.
Следует отметить, что оба типа описанных нейтрализаторов начинают эффективно работать (нейтрализовать химически активные
продукты неполного сгорания) только при достижении определенной, достаточно высокой (несколько сот градусов Цельсия) температуры отработавших газов. А до этого периода, т.е. сразу после запуска и начальной стадии прогрева двигателя внутреннего сгорания, выхлоп в атмосферу осуществляется практически неочищенный.
На сегодняшний день такая ситуация стала недопустимой, что потребовало введения еще более жестких норм по токсичности и, соответственно, создания еще более совершенных конструкций, обеспечивающих эффективную работу нейтрализатора практически сразу после пуска двигателя внутреннего сгорания.
Эта техническая проблема решается двумя путями. Во-первых, появились конструкции нейтрализаторов с электрическими подогревателями, включение которых осуществляется перед запуском двигателя внутреннего сгорания, для предварительного подогрева до определенной температуры входного участка каталитического носителя, US №5571485, МПК 6 F 01 N 3/10, 1996.
Второй технический прием заключается в максимальном приближении каталитического носителя к выхлопному клапану двигателя внутреннего сгорания, ЕПВ (ЕР) 0542002, F 01 N 3/28, 1993, либо путем размещения его непосредственно в полости выхлопного коллектора, DE 4236893, МПК 5 F 01 N 3/28, от 19.05.93; US 5388407, МПК 5 F 01 N 3/20, от 14.02.95. Именно такой конструктивный прием заложен в предлагаемой ниже полезной модели.
Известно устройство каталитического коллектора системы выхлопа двигателя внутреннего сгорания, патент Японии №63016118, МПК 5 F 01 N 7/10, F 01 N 7/18, публ. 23.01.88, содержащего четыре отдельных трубопровода, входные концы которых подключены к выходным отверстиям в головке цилиндров двигателя внутреннего сгорания, а выходные концы сходятся в специальном кожухе, внутри которого размещен блок носитель каталитического вещества. Входные концы отдельных трубопроводов закреплены на головке цилиндров двигателя внутреннего сгорания посредством фланцевого соединения с
помощью болтов. Выходные концы закреплены в кожухе посредством сварного соединения.
В качестве прототипа выбрано устройство каталитического коллектора системы выхлопа двигателя внутреннего сгорания, известное из описания к свидетельству на полезную модель RU 30855, МПК 7 F 01 N 7/10, F 01 N 3/28, публ. 2003.07.10. Рассматриваемый каталитический коллектор системы выхлопа двигателя внутреннего сгорания содержит две проточные трубы, одна из которых образована сходящимися на выходе патрубками первого и четвертого цилиндров ДВС, а другая образована сходящимися на выходе патрубками второго и третьего цилиндров, верхние концы которых соединены с впускными отверстиями ДВС через отверстия в присоединительном фланце, а нижние концы труб сходятся в общей газоприемной камере, снабженной установочным элементом управляющего датчика кислорода, выполненной заодно с корпусом каталитического носителя, на выходе которого смонтирована газосмесительная камера с присоединительным фланцем к тракту выхлопа ДВС. Каталитический носитель выполнен в виде единого металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, общая газоприемная камера частично размещена внутри корпуса каталитического носителя, с образованием неразъемного телескопического соединения, при этом между наружными торцами газоприемной камеры и торцевыми стенками моноблока образован зазор, величина которого составляет не менее половины толщины стенки расположенной внутри корпуса части газоприемной камеры, установочный элемент управляющего датчика кислорода расположен по оси потока газа, входящего в корпус каталитического носителя и на равных расстояниях от выходных срезов, соответственно, патрубков первого и четвертого, и второго и третьего цилиндров, при этом газосмесительная камера снабжена установочным элементом диагностического датчика кислорода. Кроме того, корпус каталитического носителя охвачен с образованием воздушного зазора теплоизолирующим кожухом, снабженным средствами снижения шума,
выполненными в виде концентрично расположенных на стенках кожуха ребер жесткости.
В известном устройстве каталитического коллектора корпус газосмесительной камеры выполнен штампованным из металлического листа и составлен из двух скрепленных между собой сваркой половин (полукорпусов). Телескопическое неразъемное соединение корпуса газосмесительной камеры и корпуса каталитического носителя составлено таким образом, что наружный торец газосмесительной камеры расположен внутри корпуса каталитического носителя.
Как показала практика эксплуатации автомобилей с описанными выше каталитическими коллекторами, конструкция последних оказалось не надежной и недолговечной, в частности наблюдался массовый дефект поломки корпуса газосмесительной камеры, из-за воздействия на этот элемент конструкции температурных и вибрационных нагрузок. Это вызвало необходимость доработки конструкции устройства каталитического коллектора.
Техническое решение этой проблемы и является предметом заявляемой полезной модели.
Решение технической задачи заключается в том, что предлагается устройство каталитического коллектора описанного выше типа, отличающееся однако тем, что каталитический носитель выполнен в виде единого металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, который частично размещен внутри корпуса газосмесительной камеры, с образованием неразъемного телескопического соединения, при этом корпус газосмесительной камеры составлен из двух отштампованных полукорпусов, каждый из которых, в свою очередь, составлен из пакета двух, в основном идентично отштампованных деталей из аустенитной стали, плотно контактирующих между собой своими взаимно прилегающими поверхностями и неразъемно соединенных между собой по торцам, например, сваркой, установочный элемент управляющего датчика кислорода смонтирован на плоской вершине выпуклого, по отношению к
полости газосмесительной камеры выступа, имеющего в основном форму усеченного конуса, боковая образующая которого имеет форму полугофра переменной высоты, причем максимальную высоту гофр имеет со стороны расположения патрубков второго и третьего цилиндров ДВС.
Детали полукорпусов могут быть изготовлены из стали 08Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, ГОСТ 5582-75.
Корпус каталитического носителя охвачен с образованием воздушного зазора теплоизолирующим кожухом, снабженным средствами снижения шума, выполненными в виде концентрично расположенных на стенках кожуха ребер жесткости. Установочный элемент управляющего датчика кислорода расположен по оси потока газа, входящего в корпус каталитического носителя и на равных расстояниях от выходных срезов, соответственно, патрубков первого и четвертого, и второго и третьего цилиндров, при этом газосмесительная камера снабжена установочным элементом диагностического датчика кислорода.
Благодаря этой особенности устройства каталитического коллектора, как показали исследования опытных образцов, прекратился ранее существовавший дефект поломки корпуса газосмесительной камеры.
Сравнение научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна.
Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость".
Другие особенности и преимущества заявляемой полезной модели станут понятны из следующего детального описания, приведенного исключительно в форме не ограничивающего примера и
со ссылкой на прилагаемые чертежи, иллюстрирующие предпочтительный вариант реализации, на которых;
Фиг.1 изображает устройство являющееся предметом настоящей полезной модели;
Фиг.2 изображает еще один вид устройства являющегося предметом настоящей полезной модели;
Фиг.3-5 изображают отдельные виды корпуса газоприемной камеры заявляемой полезной модели;
Фиг.6 изображает телескопическое соединение корпуса каталитического носителя с корпусом газоприемной камеры.
Практическое осуществление полезной модели детально описано ниже.
Каталитический коллектор системы выхлопа ДВС содержит две проточные трубы, одна из которых образована сходящимися на выходе патрубками 1 и 2 соответственно первого и четвертого цилиндров ДВС. Другая проточная труба образована сходящимися на выходе патрубками 3 и 4 соответственно второго и третьего цилиндров. Верхние концы патрубков 1-4 соединены с впускными отверстиями ДВС через отверстия в присоединительном фланце 5, а нижние концы труб сходятся в общей газоприемной камере 6, снабженной установочным элементом 7 управляющего датчика кислорода. Штампованный корпус 8 газоприемной камеры 6 неразъемно и телескопически смонтирован на корпусе 9 каталитического носителя 10, на выходе которого смонтирована газосмесительная камера 11 с присоединительным фланцем 12 к тракту выхлопа ДВС. Каталитический носитель 10 выполнен в виде единого металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса 9, который частично размещен внутри корпуса 8 газоприемной камеры 6, с образованием неразъемного телескопического соединения. Корпус 8 газоприемной камеры 6 составлен из двух отштампованных полукорпусов, каждый из которых, в свою очередь, составлен из пакета двух, в основном идентично отштампованных деталей 13, 14 и 15, 16 из стали, имеющей структуру
аустенита, плотно контактирующих между собой своими взаимно прилегающими поверхностями и неразъемно соединенных между собой по торцам 17 и 18, например, сваркой. Установочный элемент 7 управляющего датчика кислорода смонтирован на плоской вершине 19 выпуклого, по отношению к полости газоприемной камеры 6 выступа 20, имеющего в основном форму усеченного конуса, боковая образующая 21 которого имеет форму полугофра переменной высоты. Максимальную высоту гофр имеет со стороны расположения патрубков 3 и 4 второго и третьего цилиндров ДВС. Детали 13-16 полукорпусов изготовлены из стали, имеющей структуру аустенита, например марки 08Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, ГОСТ 5582-75.
Корпус 9 каталитического носителя охвачен с образованием воздушного зазора 22 теплоизолирующим кожухом 23, снабженным средствами снижения шума, выполненными в виде концентрично расположенных на стенках кожуха ребер жесткости 24. Установочный элемент 7 управляющего датчика кислорода расположен по оси потока газа, входящего в корпус 9 каталитического носителя и на равных расстояниях от выходных срезов, соответственно, патрубков 1 и 2 первого и четвертого, и 3 и 4 второго и третьего цилиндров, при этом газосмесительная камера 11 снабжена установочным элементом 25 диагностического датчика кислорода.
Работает каталитический коллектор обычным образом. Отработавшие газы поступают через патрубки 1...4 в полость газоприемной камеры 6, просачиваются через поры каталитического носителя 10, очищаются при этом от токсичных веществ до требуемого стандартами уровня и отводятся через газосмесительную камеру 11 в трассу системы выхлопа и шумоглущения и далее в атмосферу.
Как это следует из приведенного выше описания устройства, в сравнении с прототипом оно отличается прежде всего тем, что корпус 8 газоприемной камеры 6 имеет двойные стенки, сформированные штампованными деталями 13-16 из аустенитной стали ("нержавейки"). Однако, этот стойкий к коррозии материал, имеет значительный коэффициент температурного расширения, и при нагреве корпуса 8 (до
900 С°) в прототипе имело место растрескивание корпуса в соединении его фланцев и коробление самого корпуса по всей его поверхности. Введение двойных стенок позволило увеличить прочность корпуса 8, кроме того, прочность повышается из-за того, что часть энергии температурной деформации расходуется на взаимное трение сопрягающихся между собой деталей 13 и 14, 15 и 16. Повышению прочности корпуса 8 способствует и то, что установочный элемент 9 несет дополнительную функцию компенсатора термического расширения, за счет частично гофрированной боковой поверхности.
Испытания образцов предлагаемой полезной модели показали полное отсутствие дефекта свойственного прототипу, о чем было уже сказано выше.
Расположение установочного элемента 7 управляющего датчика кислорода по оси потока газа, входящего в корпус 9 каталитического носителя 10 и на равных расстояниях от выходных срезов, соответственно, патрубков 1 и 2 первого и четвертого, и 3 и 4 второго и третьего цилиндров, позволяет наиболее точно снимать показания датчика по химическому составу отработавших газов. Поскольку именно в этой зоне происходит "встреча" всех четырех потоков отработавших газов в газоприемной камере 6.
Применение каталитического носителя 10 в виде единого металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса 10, когда часть корпуса 9 частично размещена в полости газоприемной камера 6 с образованием неразъемного телескопического соединения (сварное соединение), позволяет создать более благоприятные условия работы телескопического соединения при высоких температурных нагрузках, а так же наиболее полно и эффективно использовать всю структуру каталитического носителя для очистки отработавших газов.
Использование заявленного технического решения позволяет создать недорогую и компактную конструкцию эффективного нейтрализатора, повысить конкурентоспособность отечественных автомобилей за счет соответствия их экологической безопасности
мировым стандартам, снизить загрязнение воздуха в населенных пунктах токсичными компонентами отработавших газов автотранспортных средств, силовой агрегат которых выполнен на базе двигателя внутреннего сгорания.
Разумеется, полезная модель не ограничивается описанным способом ее осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящей полезной модели.