КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КОЛЛЕКТОР СИСТЕМЫ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, преимущественно автомобилестроению, в частности к средствам снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).
Требования по допустимому уровню токсичности отработавших газов автомобильных ДВС обусловили введение в конструкцию тракта системы выпуска отработавших газов каталитических нейтрализаторов.
Нейтрализаторы начинают эффективно работать (нейтрализовать химически активные продукты неполного сгорания) только при достижении определенной, достаточно высокой (несколько сот градусов Цельсия) температуры отработавших газов. Введение более жестких норм по токсичности, потребовало создание более совершенных конструкций, обеспечивающих эффективную работу нейтрализатора практически сразу после пуска ДВС.
Известна система выпуска отработавших газов (далее ОГ), которая имеет выпускной коллектор для объединения потоков ОГ от двух или более цилиндров ДВС, при этом выпускной коллектор имеет выходное сечение, к которому примыкает трубчатый кожух с расположенным в нем сотовым элементом. Помимо системы выпуска ОГ с выпускным коллектором и сотовым элементом в заявке описан также способ подачи к сотовому элементу потоков ОГ, которые, по меньшей мере, частично поступают к этому сотовому элементу с различных направлений, при этом потоки ОГ перед их набеганием на сотовый элемент отклоняют с помощью, по меньшей мере, первой направляющей пластины, являющейся компонентом кожуха, таким образом, чтобы они, по меньшей мере, частично изменяли направление течения на противоположное относительно первоначального направления движения этих потоков ОГ и тем самым с задержкой набегали на сотовый элемент. Изобретение позволяет снизить токсичность выбросов ДВС, прежде всего в период пуска холодного двигателя, и увеличить срок службы сотового элемента (см. патент на изобретение РФ №2227834, МПК F01N 7/10, 2004 г.).
Известен каталитический коллектор системы выхлопа ДВС. Рассматриваемый каталитический коллектор системы выхлопа ДВС 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. Нижние концы труб сходятся в общей газоприемной камере, выполненной заодно с корпусом каталитического носителя, на выходе которого смонтирована газосмесительная камера с присоединительным фланцем к тракту выпуска ОГ ДВС. Каталитический носитель выполнен в виде единого металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока. Общая газоприемная камера содержит установочный элемент управляющего датчика кислорода, расположенный 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. Газосмесительная камера снабжена установочным элементом диагностического датчика кислорода (см. св-во на полезную модель РФ №30855, МПК7 F01N 7/10, F01N 3/28, 2003 г.).
Приведенные выше решения обладают существенным недостатками:
1. поскольку боковые патрубки подвода отработавших газов от цилиндров двигателя внутреннего сгорания расположены практически на одной линии напротив друг друга, такое конструктивное решение приводит, во-первых, к возникновению турбулентности в газоприемной камере, а также проникновению газов из одной трубы в другую (поскольку выпуск в разных цилиндрах происходит в разное время), что влечет за собой повышение сопротивления на входе в каталитический нейтрализатор и последующее снижение мощности двигателя;
2. значительная разница в длине патрубков подвода отработавших газов от цилиндров ДВС приводит к разным температурным расширениям и знакопеременному воздействию на корпус КН, что ведет к снижению его прочности.
Известна труба приемная глушителя с нейтрализатором, включающая коллекторный фланец для установки на двигатель и соединения с четырьмя входными элементами коллекторной части, сочлененными с входным газоприемником катализаторной части. Катализаторная часть содержит овальный корпус с размещенным внутри каталитическим блоком, выходной патрубок, приваренный по окружности к выходному фланцу, а также две втулки для установки кислородных датчиков. Четыре входные элемента коллекторной части выполнены из гнутых патрубков. Катализаторная часть состоит из двух полукорпусов, сваренных в горизонтальной плоскости, и объединяет в единое целое входной газоприемник, корпус каталитического блока с терморасширяющейся прокладкой и выходной патрубок. Внутри катализаторной части размещен каталитический блок из керамики в сборе с терморасширяющейся прокладкой (см. патент Ns 78869, МПК F01N 3/10 (2006.01), 2008 г.).
Недостатком данного устройства является наличие единого корпуса, состоящего из двух полукорпусов и объединяющего газоприемник, каталитическую части и выходной патрубок. Такая конструкция корпуса может привести к повреждению каталитического блока при сваривании полукорпусов.
Известен каталитический коллектор системы выпуска ОГ ДВС, содержащий разветвленный проточный трубопровод, составленный из отдельных патрубков. Число патрубков соответствует числу цилиндров ДВС. Входные концы патрубков закреплены в присоединительном фланце крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС и сходятся на выходе в общей газоприемной камере, снабженной установочным элементом управляющего датчика кислорода. Проточный трубопровод выполнен из двух фасонно отштампованных и неразъемно сопрягаемых между собой половин, с образованием при их взаимном сопряжении в межпатрубковом пространстве плоских участков, находящихся в плотном взаимном контакте. Газоприемная камера сопряжена с корпусом каталитического носителя, выполненного в виде, металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока, имеющего в поперечном сечении форму овала. На выходе последнего образована газосмесительная камера, снабженная установочным элементом диагностического датчика кислорода и присоединительным фланцем крепления к тракту выхлопа ДВС. Корпус каталитического снабжен тепло-звукоизолирующим кожухом выполненным в виде двух оребренных отштампованных взаимно неразъемно сопрягаемых частей. Кронштейны крепления каталитического коллектора смонтированы на корпусе каталитического носителя (см. патент РФ №67647, МПК F01N 3/10 (2006.01), 2007 г.). Данное решение принято за прототип.
Недостатком прототипа является сложность изготовления разветвленного проточного трубопровода из двух полукорпусов, соединенных посредством сварки с образованием отдельных патрубков для соединения с присоединительным фланцем крепления каталитического коллектора. Кроме того, устройство снабжено тепло-звукоизолирующим кожухом, наличие которого увеличивает материалоемкость устройства.
Задача, решаемая полезной моделью - повышение эффективности работы каталитического коллектора, обеспечение коэффициента однородности скоростей потока 0,92 и более за счет оптимизации направления потока отработавших газов, повышение прочности и жесткости конструкции, снижение материалоемкости, снижение влияния коллектора на мощность двигателя.
Поставленная задача решается за счет того, что в известном каталитическом коллекторе системы выпуска ОГ ДВС, содержащем разветвленный проточный трубопровод, составленный из отдельных патрубков, число которых соответствует числу цилиндров ДВС, присоединительный фланец крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС, к которому закреплены входные концы патрубков, сходящихся на выходе в общей газоприемной камере, образованной из двух полукорпусов, снабженной установочным элементом управляющего датчика кислорода и сопряженной с корпусом каталитического носителя, выполненного в виде газопроницаемого моноблока, имеющего в поперечном сечении форму овала, на выходе которого образована газосмесительная камера, снабженная установочным элементом диагностического датчика кислорода и присоединительным фланцем крепления к тракту выхлопа ДВС, и кронштейн крепления каталитического коллектора смонтированный на корпусе каталитического носителя, в соответствии с полезной моделью, патрубки проточного трубопровода выполнены в виде одногибовых труб, а полукорпуса газосмесительной камеры соединены между собой с образованием жестких фланцев по периметру, причем в коллектор, выполненный без кожуха, установлен каталитический носитель из керамики.
Установочный элемент диагностического датчика кислорода размещен на цилиндрическом отводе газосмесительной камеры.
Технический результат от использования полезной модели заключается в том, что использование всей совокупности существенных признаков полезной модели позволяет повысить эффективность работы каталитического коллектора, обеспечить показатель коэффициента однородности скоростей потока 0,92 и более за счет оптимизации направления потока отработавших газов, повысить прочность и жесткости конструкции, снизить метериалоемкость.
Технический результат заключается также в повышении ряда основных технических характеристик каталитического коллектора, а именно, повышении его работоспособности и эффективности в части снижения содержания высокотоксичных компонентов (СО, СН, NOx), находящихся в продуктах сгорания ДВС в окружающую среду, уменьшении газодинамических сопротивлений в тракте выхлопа ДВС.
Выполнение коллектора без кожуха обеспечивает снижение материалоемкости, при этом за счет выполнения каталитического носителя из керамики обеспечивается эффективная работа коллектора и сниженная теплоотдача, что позволяет снижать содержание высокотоксичных компонентов (СО, СН, NOx), находящихся в продуктах сгорания ДВС, поступающих из системы выхлопа в окружающую среду.
Выполнение патрубков проточного трубопровода в виде одногибовых труб позволяет оптимизировать направление потока отработавших газов, обеспечить показатель коэффициента однородности скоростей потока 0,92 и более, снизить сопротивление газового потока, что уменьшает влияние на мощность двигателя.
Выполнение газоприемной камеры из двух полукорпусов, соединенных между собой с образованием жестких фланцев по периметру позволяет оптимизировать направление потока отработавших газов, обеспечить показатель коэффициента однородности скоростей потока 0,92 и более, а также обеспечить прочность и жесткость конструкции.
Фиг.1 -общий вид каталитического коллектора;
Фиг.2 - сечение А-А фиг.1.
Каталитический коллектор системы выпуска ОГ ДВС содержит разветвленный проточный трубопровод, составленный из отдельных патрубков 1, 2, 3, 4, число которых соответствует числу цилиндров ДВС. Все патрубки проточного трубопровода выполнены в виде одногибовых труб. Входные концы патрубков, закреплены к присоединительному фланцу 5 крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС. На выходе патрубки сходятся в общей газоприемной камере 6, снабженной установочным элементом 7 управляющего датчика кислорода.
Газприемная камера 6 образована из двух полукорпусов 8, 9, соединенных между собой с образованием жестких фланцев 10 по периметру и объединяющих выходы патрубков 1,2,3, 4. Газоприемная камера 6 сопряжена с корпусом 11 каталитического носителя 12, выполненного в виде газопроницаемого моноблока из керамики и имеющего в поперечном сечении форму овала. Между корпусом 11 и каталитическим носителем 12 установлена прокладка 13, обеспечивающая фиксацию каталитического носителя 12 в корпусе при эксплуатации и теплоизоляцию каталитического носителя для предотвращения перегрева окружающих элементов и салона автомобиля от температуры раскаленных газов. На выходе из корпуса 11 образована газосмесительная камера 14, снабженная установочным элементом 15 диагностического датчика кислорода и присоединительным фланцем 16 крепления к тракту выхлопа ДВС. На корпусе 11 каталитического носителя смонтирован кронштейн 17 крепления каталитического коллектора. Коллектор выполнен без кожуха за счет наличия прокладки 13.
Установочный элемент 15 диагностического датчика кислорода размещен на цилиндрическом отводе 18 газосмесительной камеры 12.
Технический результат при таком конструктивном исполнении заключается в уменьшении сопротивлений в системе выпуска ОГ, что приводит к увеличению эффективной мощности ДВС. Этому способствует и овальная форма сечения каталитического носителя, поскольку при сохранении высоты носителя, увеличение его ширины позволяет увеличить площадь проходного сечения носителя, через который проходят отработавшие газы.
Работает каталитический коллектор обычным образом.
Отработавшие газы (ОГ) поступают через патрубки 1, 2, 3, 4, в полость газоприемной камеры 6, где перемешиваются за счет увеличенной длины газоприемной камеры и проходят через каналы керамического каталитического носителя 12. В каталитическом носителе ОГ очищаются от токсичных веществ до требуемого стандартами уровня и отводятся через газосмесительную камеру 14 в трассу системы выпуска ОГ и далее в атмосферу. За счет использования керамического каталитического носителя эффективность очищения ОГ возрастает многократно.
Использование заявленного технического решения позволяет создать недорогую и компактную конструкцию эффективного каталитического коллектора, повысить конкурентоспособность отечественных автомобилей за счет соответствия их экологической безопасности мировым стандартам, до уровня Евро-3, Евро-4, снизить загрязнение воздуха в населенных пунктах токсичными компонентами отработавших газов автотранспортных средств, силовой агрегат которых выполнен на базе ДВС.
Устройство может быть выполнено с использованием известных технологий на серийном оборудовании с использованием, в том числе, покупных изделий.