МОДУЛЬ СИСТЕМЫ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, преимущественно автомобилестроению, а именно, к средствам снижения токсичности отработавших газов двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и, в частности, предназначена для предотвращения попадания высокотоксичных компонентов (СО, СН, NOx), находящихся в продуктах сгорания ДВС в окружающую среду.
В настоящее время нашли широкое распространение две концепции конструктивного построения систем выпуска отработавших газов (ОГ) ДВС, одним из основных составных элементов которых являются каталитические нейтрализаторы (КН), которые, в свою очередь, имеют в своем составе керамические или металлические каталитические носители.
КН с керамическими каталитическими носителями представляют собой достаточно сложную конструкцию, что вызвано прежде всего тем, что коэффициенты теплового расширения керамики и металла (из которого изготовлен корпус (КН) значительно отличаются. Поэтому между каталитическим носителем КН и его 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 F01N 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 ОГ.
Конструкции КН с керамическими носителями 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 КН.
Более прогрессивной конструкцией КН, с точки зрения упрощения конструкции, снижения стоимости изготовления, надежности и долговечности является устройство нейтрализатора с металлическим каталитическими носителями.
Известен КН, см. авторское свидетельство СССР №1483064, МКИ4 F01N 3/28, публ. 30.05.89, БИ №20, содержащий корпус с впускным и выпускным патрубками и металлический каталитический носитель, 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. Каталитический носитель закреплен в корпусе посредством специальных бандажей, закрепленных сваркой на корпусе, при этом бандаж, внахлест контактируя с боковыми стенками каталитического носителя, неподвижно фиксирует его в осевом направлении. Патрубки закреплены на корпусе посредством фланцевого соединения крепежными элементами.
К очевидным недостаткам этого КН следует отнести сложность его конструкции, которая обуславливает неоптимальность массогабаритных показателей. Одновременно с этим, наличие монтажных бандажей приводит к неоптимальному использованию каталитического вещества в периферийной зоне тела каталитического носителя, поскольку внахлест размещенные на боковых стенках каталитического носителя торцы бандажей препятствуют проникновению в его тело ОГ.
Химические реакции происходящие в КН имеют характер окислительно - восстановительных, с выделением тепла. Достаточно сказать, что при работе ДВС легкового автомобиля температура внутри КН достигает (например, в автомобилях ВАЗ) 970°С, а на стенке корпуса КН она превышает 700°С. Это создает определенные трудности при размещении КН, учитывая условия стесненного пространства, как в
моторном отсеке, так и между днищем и дорогой на современных легковых автомобилях. Механизмы автомобиля должны быть защищены от вредного длительного высокотемпературного воздействия со стороны КН. Кроме того при расположении КН под днищем автомобиля необходимо исключить возможность возникновения пожара, который может возникнуть при воспламенении предметов лежащих на дороге во время стоянки автомобиля с работающим ДВС.
Указанная проблема решается в устройстве по патенту ЕР1013906, где каталитический блок (носитель) КН заключен в корпус с двумя торцевыми стенками, имеющими входное и выходное отверстие, причем между боковой стенкой каталитического носителя и корпусом имеется теплоизолирующая прокладка. Недостаток этого устройства заключается в том, что торцевые стенки корпуса непосредственно прилегают к торцу каталитического носителя, что не желательно, т.к. приведет к увеличению температуры за пределами корпуса КН, из-за непосредственной теплопередачи от горячего каталитического носителя к корпусу КН.
В других устройствах по патентам ЕР 1621738, US 6613296, WO 02103172, US 6605259, ЕР 0917619, DE 602004, ЕР 1326012, DE 6027174 данный недостаток устранен путем введения в конструкцию КН двойной торцевой стенки, предотвращающей непосредственную теплопередачу от каталитического носителя к корпусу КН, при этом между корпусом КН и каталитическим носителем имеются различного вида теплоизолирующие прокладки или воздух, являющийся, как известно, хорошим теплоизолятором.
Известны конструкции КН, включающие несколько последовательно расположенных с зазором каталитических носителей, что в значительной степени позволяет повысить степень очистки ОГ от химически вредных компонентов, см. патент RU 2015356, МПК F01N 3/28, публ. 30.06.1994, заявитель и патентообладатель ЭМИТЕК ГЕЗЕЛЬШАФТ ФЮР ЭМИССИОНСТЕХНОЛОГИ МБХ. Здесь каталитический элемент для нейтрализации ОГ содержит металлический сотовый носитель катализатора, наружную и внутреннюю трубчатые
оболочки. Оболочки размещены концентрично одна относительно другой с образованием кольцевого зазора между ними и возможностью свободного продольного расширения внутренней трубчатой оболочки. Один конец внутренней трубчатой оболочки жестко соединен с одним концом наружной трубчатой оболочки. Каталитический элемент дополнительно содержит подвижную опору. Внутренняя трубчатая оболочка другим концом установлена в подвижной опоре, образованной круговыми или одиночными выступами, выполненными на наружной трубчатой оболочке.
Известны КН, каталитические носители которых имеют в поперечном сечении форму овала, большая ось которых в основном параллельна дорожному покрытию, см. патент на изобретение RU 2113232, МПК F01N 3/28, от 27.09.2003, патентообладатель ЭМИТЕК ГЕЗЕЛЬШАФТ ФЮР ЭМИССИОНСТЕХНОЛОГИ МБХ. Каталитический преобразователь здесь имеет по меньшей мере один сотовый элемент с покрытием из каталитически активного материала и с отделенными друг от друга стенками проточными каналами для ОГ, при этом указанный преобразователь имеет расположенные последовательно в направлении (S) протекания потока ОГ первую и вторую зоны, теплоемкость первой из которых, приходящаяся на единицу объема сотового элемента, меньше теплоемкости второй зоны, приходящейся на единицу объема сотового элемента, причем теплоемкость второй зоны, приходящейся на единицу объема сотового элемента, составляет по меньшей мере 800 Дж/л-К. В предпочтительном варианте в первой зоне толщина металлических листов без покрытия составляет в среднем менее 0,06 мм, предпочтительно менее 0,04 мм, а во второй зоне толщина металлических листов без покрытия составляет в среднем более 0,06 мм, предпочтительно более 0,08 мм, прежде всего 0,11 мм. Таким образом, первая зона при высокой температуре ОГ может быстро достигать рабочей температуры, тогда как вторая зона аккумулирует тепло для работы в режимах, в которых ОГ имеют низкую температуру. Изобретение позволяет повысить эффективность работы преобразователя. Положительным моментом здесь является то, что при
заданной техническими требованиями на автомобиль величиной клиренса (величина просвета между дорогой и нижней крайней точкой автомобиля), удается в значительной степени повысить объем полости каталитического нейтрализатора и площадь проходного сечения каталитического носителя, что существенно влияет на эффективность и долговечность работы КН.
Независимо от типа КН монтаж его под днищем кузова представляет собой достаточно сложную техническую задачу.
3
В качестве прототипа принято устройство системы выпуска ОГ ДВС автомобиля ВАЗ-21214, разработанного под нормы токсичности Евро-3 (Е3), выпуска 2006 года (чертеж прототипа прилагается). В частности, рассматриваемая система содержит приемную трубу и КН, которые между собой соединены посредством фланцевого соединения. Последнее включает два плоских фланца, прокладку и комплект резьбовых крепежных элементов - болтов с гайками и шайбами. От переднего фланца приемной трубы ОГ по системе перемещаются по двум параллельным трубам. На некотором расстоянии от переднего фланца трубы объединяются в общий трубопровод. На входе газового потока в общий трубопровод установлен управляющий датчик кислорода. В конце общего трубопровода, перед выходным фланцем установлен компенсатор угловых колебаний. Передняя часть приемной трубы, от переднего фланца до газоприемника, объединяющего газовые потоки от цилиндров ДВС, закрыта экранами. Между экранами и трубами находятся теплоизоляционные прокладки. К переднему фланцу КН приварен кронштейн, содержащий цилиндрические участки, на которые устанавливаются резиновые подушки, крепящие КН к кузову автомобиля. Объем нейтрализатора 1647 см. При этом он содержит два керамических КН.
Практика эксплуатации прототипа выявила нежелательные явления, устранение которых повлекло изменение конструкции, что и явилось предметом разработки заявляемой полезной модели. В частности, было установлено, что в прототипе, через присоединительный фланец крепления КН к приемной трубе
отработавших газов, при нарушении герметичности прокладки, происходит подсос воздуха извне. Подсос воздуха через присоединительный фланец крепления КН к приемной трубе приводит к тому, что происходит рассогласование в работе управляющего датчика кислорода, смонтированного на приемной трубе отработавших газов и диагностического датчика концентрации кислорода. Показания последнего начинают несоответствовать действительному состоянию химического состава ОГ на выходе из КН, а это прямо сказывается на нормальной работе системы зажигания и топливоподачи ДВС, организации рабочего процесса в его камерах сгорания. Кроме того оказалось, что сам управляющий датчик кислорода установлен не в оптимальном месте. В прототипе завышены осевые габариты рассматриваемого модуля, в основном из-за расположения компенсатора угловых колебаний еще до КН, что дополнительно увеличивает время прогрева КН из-за его значительного удаления от газоприемника.
Решение технической задачи предусматривает создание эффективной и одновременно с этим недорогой и компактной, надежной и долговечной в эксплуатации конструкции модуля системы выпуска ОГ ДВС.
Технический результат заключается в улучшении организации рабочего процесса ДВС и повышении степени очистки отработавших газов от химически вредных составляющих до уровня, соответствующего международным Нормам Евро-4.
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном модуле системы выпуска ОГ ДВС, содержащем приемную трубу присоединенную к КН, отводящий патрубок с фланцем подсоединения модуля к трассе шумоглушения и отвода ОГ в атмосферу, а также компенсатор угловых колебаний, места установки управляющего и диагностирующего датчиков состава ОГ, теплоизолирующий экран, охватывающий входную часть приемной трубы, внутри которого может быть размещена теплоизолирующая структура, и средства крепления КН к приемной трубе ОГ и самого модуля к структурному элементу днища
кузова транспортного средства, составляющие элементы модуля образуют цельное, неразъемное структурное образование, и в направлении от ДВС к фланцу подсоединения модуля к трассе шумоглушения и отвода ОГ в атмосферу располагаются в следующем порядке - приемная труба, КН, устройство крепления модуля к днищу кузова, частично охваченное экраном место крепления диагностирующего датчика и компенсатор угловых колебаний, при этом приемная труба по всей своей длине составлена из двух, сходящихся на выходе в отштампованном тройнике труб, который герметично и неразъемно смонтирован на входном торце КН, на котором, в свою очередь, смонтирован установочный элемент управляющего датчика ОГ, средство крепления модуля к структурному элементу днища кузова транспортного средства выполнено в виде хомута, снабженного установочным отверстием под элемент крепления к структуре кузова и охватывающего отводящий патрубок в промежутке между экраном места крепления диагностирующего датчика и выходом КН, компенсатор угловых колебаний установлен на выходном участке отводящего патрубка, между фланцем подсоединения модуля к трассе шумоглушения и отвода ОГ в атмосферу и установочным элементом диагностирующего датчика концентрации кислорода в ОГ.
Является наиболее предпочтительным вариант, когда отводящий патрубок по всей своей длине выполняется прямолинейным.
Технический результат, обеспечивается за счет обеспечения полной герметизации в соединениях элементов модуля, исключения фланцевого соединения приемной трубы с КН, что полностью исключает возможный подсос воздуха извне внутрь КН, максимально возможного приближения КН к выхлопных клапанам ДВС (в сравнении с прототипом на 360 мм), что позволяет существенно ускорить прогрев каталитического носителя КН и обеспечить более эффективную его работу.
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 которых показана схема заявляемого модуля и его отдельных составляющих элементов.
- на фиг.1, 2 показан модуль системы выпуска ОГ ДВС, соответственно виды сбоку и сверху. При этом регистрирующий и диагностический датчики на чертежах не показаны, поскольку их монтаж осуществляется непосредственно перед установкой модуля на автомобиль;
- на фиг.3 и 4 показан модуль системы выпуска ОГ ДВС, соответственно виды сбоку и сверху с установленными датчиками.
Модуль системы выпуска ОГ ДВС, представленный на фиг.1 и 2, содержит приемную трубу 1 присоединенную к КН 2, отводящий патрубок 3 с фланцем 4 подсоединения модуля к трассе шумоглушения и отвода ОГ в атмосферу, а также компенсатор 5 угловых колебаний, места 6 и 7 (соответственно) установки, фиг.3 и 4, управляющего 8 и диагностического 9 датчиков состава ОГ, теплоизолирующий экран, фиг.1 и 2, 10, охватывающий входную часть 11 приемной трубы 1, внутри которого может быть размещена теплоизолирующая структура, и средства крепления КН к приемной трубе ОГ и самого модуля к структурному элементу днища кузова транспортного средства.
Составляющие элементы модуля образуют цельное, неразъемное структурное образование, и в направлении от ДВС к фланцу 4 подсоединения модуля к трассе шумоглушения и отвода ОГ в атмосферу располагаются в следующем порядке - приемная труба 1, КН 2, устройство крепления 12 модуля к днищу кузова (не показано), частично охваченное экраном 13 место крепления 7 диагностирующего датчика концентрации кислорода 9 и компенсатор угловых колебаний 5. Приемная труба 1 по всей своей длине составлена из двух, сходящихся на выходе в отштампованном тройнике 14 труб 15 и 16, который герметично и неразъемно смонтирован на входном торце 17 КН 2, на котором, в свою очередь смонтирован установочный элемент 6 управляющего датчика 8 ОГ. Средство крепления 12 модуля к структурному элементу днища кузова транспортного средства выполнено в виде хомута, снабженного установочным отверстием 18 под элемент крепления к структуре кузова и охватывающего отводящий патрубок 3 в промежутке между экраном 12 и выходом 19 КН 2. Компенсатор 5 угловых колебаний установлен на выходном участке отводящего патрубка 3, между фланцем 4 подсоединения модуля к трассе шумоглушения и отвода ОГ в атмосферу и установочным элементом 7 диагностирующего датчика 9 концентрации кислорода в составе ОГ.
В представленном варианте конструктивного исполнения отводящий патрубок 3 по всей своей длине выполняется прямолинейным.
Работает модуль, представленный на фиг.1 и 2 обычным образом.
При работе ДВС и каждом такте выпуска, ОГ по приемной трубе 1 входят в КН 2 со стороны входного торца 17 конусообразного входного патрубка, далее газ проходит через каталитический носитель КН 2, где в результате окислительно-восстановительных реакций, с помощью каталитического вещества, очищается от вредных компонентов (СО, СН, NOx) ОГ. Далее очищенный газ входит в конусообразный выходной
патрубок, см. выходной участок 19, и через отводящий патрубок 3 далее поступает в глушители системы выпуска автомобиля (не показаны).
Как уже было отмечено выше сварное неразъемное соединение КН 2 и приемной трубы 1 обеспечивает полную герметизацию в соединениях элементов модуля, за счет исключения фланцевого соединения приемной трубы с КН (что имеет место в прототипе), и что полностью исключает возможный подсос воздуха извне внутрь КН, максимально возможного приближения КН к выхлопных клапанам ДВС (в сравнении с прототипом на 360 мм), что позволяет существенно ускорить прогрев каталитического носителя КН и обеспечить более эффективную его работу. Одновременно с этим в значительной степени упрощается сама конструкция модуля, поскольку отпадает необходимость применения фланцев, уплотнительных прокладок и крепежных резьбовых элементов.
Кроме того, в сравнении с прототипом, где применен развитый по ширине кронштейн с резиновыми подушками, в заявляемом модуле предложено простое решение крепления его к структурному элементу пола кузова посредством изделия типа хомута.
Использование заявленного технического решения позволяет создать недорогую и компактную конструкцию эффективного модуля, повысить конкурентоспособность отечественных автомобилей за счет соответствия их экологической безопасности мировым стандартам на уровне Евро-4, снизить загрязнение воздуха в населенных пунктах токсичными компонентами ОГ автотранспортных средств, силовой агрегат которых выполнен на базе ДВС.
Разумеется заявляемая полезная модель не описывается 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.