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).
Современные требования по допустимому уровню токсичности отработавших газов автомобильных ДВС обусловили введение в конструкцию тракта системы выпуска отработавших газов каталитических нейтрализаторов.
В настоящее время нашли широкое распространение две концепции конструктивного построения каталитических нейтрализаторов - с керамическими и металлическими блоками-носителями. 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 ДВС, выпуск отработавших газов в атмосферу осуществляется практически неочищенный. Введение жестких норм по токсичности вызвало необходимость создания конструкций, обеспечивающих эффективную работу нейтрализатора практически сразу после пуска ДВС.
Один из возможных путей решения обозначенной технической задачи заключается в максимальном приближении каталитического носителя к выпускному клапану ДВС, ЕПВ (ЕР) 0542002, F01N 3/28, 1993, либо путем размещения его непосредственно в полости выпускного коллектора, DE 4236893, МПК 5 F01N 3/28, от 19.05.93; US 5388407, МПК 5 F01N 3/20, от 14.02.95. Именно такой конструктивный прием заложен в заявляемой ниже полезной модели.
Известно устройство каталитического коллектора системы выпуска отработавших газов ДВС, патент Японии №63016118, МПК 5 F01N 7/10, F01N 7/18, опубликован 23.01.88, содержащего четыре отдельных трубопровода, входные концы которых подключены к выходным отверстиям в головке цилиндров ДВС, а выходные концы сходятся в специальном кожухе, внутри которого размещен блок носитель каталитического вещества. Входные концы отдельных трубопроводов закреплены на головке цилиндров ДВС посредством фланцевого соединения с помощью болтов. Выходные концы закреплены в кожухе посредством сварного соединения.
В качестве аналога заявляемой полезной модели может быть рассмотрена разработанная ОАО «АВТОВАЗ» и реализуемая в составе модельного ряда автомобилей LADA КАЛИНА конструкция каталитического коллектора, которая защищена патентом №67647 на полезную модель «Каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания», МПК F01N 3/28, опубликованным 27.10.2007, бюллетень №30. Каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов ДВС, содержащий разветвленный проточный трубопровод, составленный из отдельных патрубков, число которых соответствует числу цилиндров ДВС, входные концы которых закреплены в присоединительном фланце крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС и сходящихся на выходе в общей газоприемной камере, снабженной установочным элементом управляющего датчика кислорода, и сопряженной с корпусом каталитического носителя, выполненного в виде, по крайней мере, одного газопроницаемого цилиндрического блока, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, на выходе которого образована газосмесительная камера, снабженная установочным элементом диагностического датчика кислорода и присоединительным фланцем крепления к тракту системы выпуска отработавших газов ДВС, при этом корпус каталитического носителя охвачен с образованием воздушного зазора тепло-звукоизолирующим кожухом. Отличительной особенностью конструкции является то, что присоединительный фланец крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС выполнен в виде сплошного, плоского, прямоугольного, со скругленными углами основания, снабженного сквозными присоединительными отверстиями под соответствующие патрубки проточного трубопровода, 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, причем наружные кромки половин выполнены в виде плоских отбортовок, торцы которых на входе патрубков сопрягаются с присоединительным фланцем крепления каталитического коллектора, а на выходе проточного трубопровода неразъемно закреплены на корпусе каталитического носителя, при этом входные концы патрубков частично размещены и неразъемно закреплены в соответствующих отверстиях присоединительного фланца, продольная кривизна крайних патрубков проточного трубопровода превышает величину продольной кривизны патрубков, расположенных между ними, каталитический носитель выполнен в виде металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока, имеющего в поперечном сечении форму овала, вытянутого в стороны крайних цилиндров ДВС и боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, при этом матрица блока сформирована из металлической ленты, имеющей S-образную форму закрутки, общая газоприемная камера частично размещена внутри корпуса каталитического носителя, таким образом, что выход проточного трубопровода с корпусом каталитического носителя образует телескопическое соединение, геометрический центр установочного элемента управляющего датчика кислорода расположен на равном расстоянии от геометрических центров сквозных присоединительных отверстий присоединительного фланца под крайние патрубки проточного трубопровода, газосмесительная камера образована наклонным коническим патрубком, выполненным из двух неразъемно сопрягаемых между собой отштампованных половин, наружные кромки которых выполнены в виде плоских отбортовок, при этом установочный элемент диагностического датчика кислорода смонтирован на конической стенке патрубка большей высоты, тепло-звукоизолирующий кожух выполнен в виде двух оребренных отштампованных взаимно неразъемно сопрягаемых частей, причем, по крайней мере, один из торцов кожуха неразъемно закреплен на корпусе каталитического носителя, кожух снабжен симметричными относительно продольной оси корпуса каталитического носителя окнами под выход кронштейнов крепления каталитического коллектора, которые неразъемно закреплены на корпусе каталитического носителя и выполнены в виде опорных полок с боковыми раскосами, причем в опорных полках выполнены вытянутые в направлении перпендикулярном оси корпуса каталитического носителя сквозные отверстия, каждое из окон под выход кронштейнов пересекает линию сопряжения частей кожуха. Плоские отбортовки фасонно отштампованных половин проточного трубопровода, включая межпатрубковые участки, а также плоские отбортовки наклонного конического патрубка скреплены посредством сварного соединения.
Предприятием, ООО «Мобил ГазСервис» (г.Тольятти) разработан и защищен патентом №91110 на полезную модель «Каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания», МПК F01N 3/28, опубликован 27.01.2010. Каталитический коллектор ДВС содержит разветвленный проточный трубопровод, составленный из отдельных патрубков, число которых соответствует числу цилиндров ДВС, входные концы которых закреплены в присоединительном фланце крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС, а выходные - на общей газоприемной камере, снабженной установочным элементом управляющего датчика кислорода, и телескопически неразъемно сопряженной с корпусом каталитического носителя, снабженного по бокам кронштейнами его закрепления в автомобиле и выполненного в виде, по крайней мере, одного газопроницаемого блока, имеющего в поперечном сечении форму овала, на выходе которого телескопически неразъемно установлена выполненная из двух фасонно отштампованных и неразъемно соединенных между собой вдоль продольной оси половин газосмесительная камера, снабженная установочным элементом диагностического датчика кислорода и присоединительным фланцем крепления к тракту выхлопа ДВС, причем проточный трубопровод и газоприемная камера выполнены совместно из двух фасонно отштампованных и неразъемно соединенных между собой вдоль продольной оси половин. Отличительной особенностью является то, что каталитический носитель выполнен в виде керамического блока и снабжен по наружной боковой поверхности плотно прилегающей к корпусу каталитического носителя теплоизолирующей прокладкой, которые совместно плотно запрессованы в корпусе каталитического носителя, причем присоединительный фланец крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС имеет, в основном, прямоугольную форму, а входные концы отдельных патрубков проточного трубопровода закреплены в присоединительном фланце крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС на одинаковом расстоянии друг от друга.
Тем же патентообладателем - ООО «Мобил ГазСервис» (г.Тольятти) разработан и защищен патентом №91133 на полезную модель «Каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания», МПК F01N 3/28, который опубликован 27.12.2009 и выбран в качестве прототипа. Каталитический коллектор ДВС содержит разветвленный проточный трубопровод, составленный из отдельных патрубков, число которых соответствует числу цилиндров ДВС, входные концы которых закреплены в присоединительном фланце крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС, а выходные - на общей газоприемной камере, снабженной установочным элементом управляющего датчика кислорода, и телескопически неразъемно сопряженной с корпусом каталитического носителя, снабженного по бокам кронштейнами его закрепления в автомобиле, и выполненного в виде, по крайней мере, одного газопроницаемого блока, имеющего в поперечном сечении форму овала, на выходе которого телескопически неразъемно установлена выполненная из двух фасонно отштампованных и неразъемно соединенных между собой вдоль продольной оси половин газосмесительная камера, снабженная установочным элементом диагностического датчика кислорода и присоединительным фланцем крепления к тракту системы выпуска отработавших газов ДВС, причем проточный трубопровод и газоприемная камера выполнены совместно из двух фасонно отштампованных и неразъемно соединенных между собой вдоль продольной оси половин. Отличительной особенностью является то, что каталитический носитель выполнен в виде керамического блока и снабжен по наружной боковой поверхности плотно прилегающей к корпусу каталитического носителя теплоизолирующей прокладкой, которые совместно плотно запрессованы в корпусе каталитического носителя.
Исследования проведенные с опытными образцами рассмотренной конструкции, описанной выше, дают основания говорить о том, что его конструктивные особенности дают возможность для дальнейшего совершенствования каталитического коллектора в части повышения его основных технических характеристик, что совершенно необходимо для удовлетворения действующих на сегодняшний день Международных экологических требований по токсичности и безопасности. В этой связи, как показывают патентные исследования самых свежих публикаций, на отечественном рынке автокомпонентов ведутся активные работы по доводке и совершенствованию конструкций каталитических коллекторов, допускающих на сегодняшний день их беспрепятственное использование в составе легковых автомобилей, производимых и эксплуатируемых на территории Российской Федерации, стран СНГ и любых других стран мира, соблюдающих указанные нормативные Международные требования.
Решение технической задачи предусматривает создание эффективной и одновременно с этим недорогой и компактной конструкции каталитического коллектора.
Технический результат заключается в повышении ряда основных технических характеристик каталитического коллектора, в первую очередь, улучшении его эффективности в части снижения содержания высокотоксичных компонентов (СО, СН, NOx), находящихся в продуктах сгорания ДВС в окружающую среду и уменьшения противодавлении в тракте системы выпуска отработавших газов. Кроме того, технический результат заключается в повышении работоспособности и долговечности наиболее ответственных элементов конструкции - каталитического носителя и термоизолирующей прокладки. Еще одним техническим результатом является улучшение массо-габаритных показателей заявляемой полезной модели.
Совокупность признаков заявляемой полезной модели каталитического коллектора системы выпуска отработавших газов ДВС, находящаяся в причинно-следственной взаимосвязи с достигаемым техническим результатом представлена в независимом пункте формулы полезной модели. Сущность полезной модели заключается в том, что в известном из прототипа каталитическом коллекторе системы выпуска отработавших газов ДВС, содержащем разветвленный проточный трубопровод выполненный с патрубками, в которых образованы газовые каналы, упомянутые патрубки закреплены в присоединительном фланце крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС и сходятся в общей диффузорно образованной газоприемной камере, телескопически сопряженной с корпусом каталитического носителя, боковые стенки которого посредством термоизолирующей прокладки находятся в плотном контакте со стенками корпуса, на выходе которого расположена конфузорно образованная газосмесительная камера, снабженная присоединительным фланцем крепления к тракту выпуска отработавших газов ДВС, соотношение длины «L» к диаметру «D» проходного сечения соответствующего газового канала составляет L/D=3,5…4,2, угол «α» расширения диффузора газоприемной камеры находится в диапазоне α=63°…68°, а телескопическое сопряжение газоприемной камеры с корпусом каталитического носителя образовано зигзагообразным сужением присоединительной части корпуса каталитического носителя с образованием входного участка, имеющего форму встречной поверхности монтажной части газоприемной камеры.
Каталитический носитель представляет собой керамический блок. При этом, под понятием «диффузор» подразумевается расширяющаяся часть трубы, в которой происходит замедление движения потока и возрастание давления, характеризуется углом расширения (раскрытия).
Под понятием «конфузор» подразумевается сужающийся участок трубопровода в котором происходит увеличение скорости потока газа и уменьшение давления.
Рассмотренные выше конструктивные изменения в заявляемом техническом решении, в сравнении с прототипом полезной модели, достигнуты методом интуитивно-логического анализа проблемы, обозначенной представленным выше уровнем техники и сопоставительной аналитической работы по формированию новых конструктивных признаков с улучшенными конструктивно-технологическими приемами эмпирическим путем, а также в процессе практических исследований опытных образцов устройства и штатных образцов объекта, представленного в прототипе.
Так, было установлено, что в сравнении с прототипом, где диаметр проходного сечения газовых каналов разветвленного проточного трубопровода составляет 32 мм, оптимальным является диаметр 36 мм, с одновременным укорочением длины соответствующего газового канала. Было установлено, что наиболее предпочтительным, для достижения технического результата, является случай, когда соотношение длины «L» к диаметру «D» проходного сечения соответствующего газового канала составляет L/D=3,5…4,2.
При увеличенном, в сравнении с прототипом, угле «α» расширения диффузора газоприемной камеры, находящегося в диапазоне α=63°…68°, появилась возможность существенно укоротить длину газоприемной камеры, улучшить структуру поступающего в нее газового потока, за счет уменьшения его скорости и соответствующего повышения давления. Это позволяет не только обеспечить равномерное распределение потока отработавших газов на входе в каталитический носитель (в сочетании с упомянутой выше проработкой конфигурации газовых каналов), но и применить блок каталитического носителя увеличенных размеров, что повышает основную функцию полезной модели.
Телескопическое сопряжение газоприемной камеры с корпусом каталитического носителя, образованное плавным зигзагообразным сужением присоединительной части корпуса каталитического носителя с образованием входного участка, имеющего форму встречной поверхности монтажной части газоприемной камеры, практически полностью устраняет прямое влияние высокотемпературного газового потока на торец термоизолирующей прокладки, поскольку он при таком конструктивном исполнении практически полностью перекрыт зигзагообразным участком корпуса каталитического носителя. Это позволяет повысить долговечность и работоспособность не только непосредственно термоизолирующей прокладки, но и всего соединения в целом.
Сравнение заявленного технического решения с уровнем техники по научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".
Предложенное техническое решение может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо, воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость". При этом промышленный выпуск полезной модели возможен на стандартном оборудовании с применением известных, хорошо отработанных технологий.
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 котором показана схема предлагаемого каталитического коллектора и его отдельных составляющих элементов.
Сущность технического решения поясняется фигурами:
На фиг.1 изображен заявляемый каталитический коллектор.
На фиг.2 показано телескопическое сопряжение (увеличено).
На фиг.3 показана схема образования диффузора в газоприемной камере.
На фиг.4 показан участок разветвленного проточного трубопровода.
На фиг.5 показано сечение фиг.1 по А-А разветвленного проточного трубопровода.
На фигурах изображены:
1 - разветвленный проточный трубопровод;
2 - отдельный патрубок;
3 - газовые каналы;
4 - присоединительный фланец;
5 - газоприемная камера;
6 - корпус каталитического носителя;
7 - термоизолирующая прокладка;
8 - газосмесительная камера;
9 - присоединительный фланец крепления к тракту выпуска отработавших газов;
10 - зигзагообразное сужение;
11 - входной участок;
12 - монтажная часть;
13 - каталитический носитель (блок).
Представленный на чертежах каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов ДВС содержит разветвленный проточный трубопровод 1, образованный отдельными патрубками 2, в которых сформированы газовые каналы 3. В конкретном примере исполнения разветвленный проточный трубопровод 1 содержит четыре отдельных патрубка 2, в каждом из которых образован газовый канал 3.
Отдельные патрубки 2 закреплены в присоединительном фланце 4 крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС (не показан) и сходятся в общей диффузорно образованной газоприемной камере 5.
Газоприемная камера 5 телескопически сопряжена с корпусом 6 каталитического носителя 13, боковые стенки которого посредством термоизолирующей прокладки 7 находятся в плотном контакте со стенками корпуса 6, на выходе которого расположена конфузорно образованная газосмесительная камера 8, снабженная присоединительным фланцем 9 крепления к тракту выпуска отработавших газов ДВС.
Соотношение длины «L» к диаметру «D» проходного сечения соответствующего газового канала 3 составляет от 3,5 до 4,2, т.е. L/D=3,5…4,2. Угол «α» расширения диффузора газоприемной камеры 5 находится в диапазоне от 63° до 68°, т.е. α=63…68. Телескопическое соединение (см. фиг.2) газоприемной камеры 5 с корпусом 6 каталитического носителя 13 образовано зигзагообразным сужением 10 присоединительной части корпуса 6 каталитического носителя 13 с образованием входного участка 11, имеющего форму встречной поверхности монтажной части 12 газоприемной камеры 5.
Работает каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов ДВС, как и в выбранном прототипе, обычным для такого типа устройств образом. Отработавшие газы поступают из цилиндров ДВС (не показаны) по разветвленному проточному трубопроводу 1, а именно по газовым каналам 3 отдельных патрубков 2 в газоприемную камеру 5, далее проходят через блок каталитического носителя 13 (например, керамический блок), в котором происходит очистка от токсичных веществ до необходимого уровня, и затем, через газосмесительную камеру 8 отводятся в систему выпуска отработавших газов и шумоглушения ДВС в атмосферу.
Однако, в сравнении с прототипом, в газоприемную камеру 5 подается более организованный и высокотемпературный поток, за счет укороченных патрубков 2 и увеличенного диаметра их проходного сечения, а также за счет укороченной газоприемной камеры 5, поскольку меньшее количество тепла рассеивается в окружающую среду при прохождении отработавших газов от выпускного клапана (не показан) ДВС до блока каталитического носителя 13. Такая конструкция приводит к ускорению выхода каталитического коллектора в штатный режим работы и более эффективной нейтрализации им химически вредных продуктов, содержащихся в составе отработавших газов ДВС. Исключение прямого влияние газового потока на торец термоизолирующей прокладки 7 улучшает условия ее работы, что повышает стойкость и долговечность работы каталитического коллектора в целом. При этом создаются условия для оптимизации массо-габаритных показателей полезной модели.
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-4 и Евро-5, снизить загрязнение воздуха в населенных пунктах токсичными компонентами отработавших газов автотранспортных средств, силовой агрегат которых выполнен на базе ДВС. Предлагаемое техническое решение имеет простую конструкцию, небольшие габариты и материалоемкость, надежно в эксплуатации 16-ти клапанных ДВС при высоких температурах отработавших газов.
Разумеется, полезная модель не ограничивается описанным выше конкретным конструктивным примером ее осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными несущественные изменения различных элементов или материалов, из которых эти элементы выполнены, либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема притязаний, обозначенного независимым пунктом формулы полезной модели.