КАТАЛИТИЧЕСКИЙ КОЛЛЕКТОР СИСТЕМЫ ВЫХЛОПА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности, к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания (далее ДВС) с системой нейтрализации отработавших газов.
Современные требования по допустимому уровню токсичности отработавших газов автомобильных двигателей внутреннего сгорания обусловили введение в конструкцию тракта системы выхлопа каталитических нейтрализаторов. Применение системы нейтрализации отработавших газов, вызывает необходимость введения в конструкцию системы выпуска ДВС устройств, позволяющих в значительной степени снизить токсичность отработавших газов, уменьшить величину резонансных амплитуд пульсаций объемного расхода воздуха в тракте системы выпуска, повысить эффективную мощность и улучшить экономические показатели ДВС. Нейтрализаторы 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, выхлоп в атмосферу осуществляется практически неочищенный. Введение более жестких норм по токсичности, потребовало создание более совершенных конструкций, обеспечивающих эффективную работу нейтрализатора практически сразу после пуска ДВС. Это достигается за счет максимального приближения каталитического носителя к выпускному клапану ДВС и его интеграция в выпускной коллектор Техническая задача заключается 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 гидродинамических сопротивлений в тракте выхлопа ДВС.
Известно устройство каталитического коллектора системы выхлопа двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (полезная модель RU 30855, МПК F01N 7/10, F01N 3/28, опубл. 10.07.2003.), содержащее 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, выполненного 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, 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.
Известен выпускной коллектор для двигателя внутреннего сгорания (полезная модель RU 72274, МПК F01N 7/10, опубл. 10.04.2008), содержащий присоединительный фланец крепления коллектора к корпусу ДВС и фланец крепления коллектора к трассе выпуска отработавших газов, при этом в окнах присоединительного фланца смонтированы отдельные выпускные патрубки, выполненные из жаропрочного листового материала. Каждый из отдельных патрубков выполнен из цельного отрезка тонкостенной жаропрочной трубы, окна присоединительного фланца и размещенная в них присоединительная часть выпускных патрубков имеют сечение в виде продолговатых отверстий с скругленными боковыми торцами, сопряженными прямолинейными участками, присоединительная часть каждого из патрубков сопрягается с его цилиндрической частью посредством диффузорного участка, выходные концы всех выпускных патрубков сходятся в общей газосмесительной камере, на выходе которой смонтирован присоединительный фланец с общим выпускным отверстием, при этом газосмесительная камера образована двумя симметричными, отштампованными из жаропрочного листового материала полукорпусами, скрепленными между собой, а также с выходными концами патрубков и присоединительным фланцем неразъемно.
Известен каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов ДВС (патент РФ на полезную модель №69160, МПК F01N 3/28, опубл. 10.12.2007), содержащий 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, входные концы которых смонтированы в общем присоединительном фланце, а выходные концы сходятся в общей газоприемной камере. Камера снабжена установочным элементом управляющего датчика кислорода, образована изогнутым входным коническим патрубком, имеющим цилиндрический выходной участок, неразъемно смонтированный на стенке корпуса каталитического носителя, выполненного в виде единого металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса, на выходе которого образована газосмесительная камера с присоединительным фланцем крепления к тракту выпуска отработавших газов ДВС. Корпус каталитического носителя и входной конический патрубок охвачены с образованием воздушного зазора тепло-звукоизолирующим кожухом, консольно смонтированным на выходном участке корпуса каталитического носителя. Цилиндрический выходной участок входного конического патрубка смонтирован на внешней стенке корпуса каталитического носителя, между наружной стенкой входного конического патрубка, а в зоне незакрепленного входного участка кожуха, образован раструб.
Исследование показывают, что имеется возможность дальнейшего совершенствования системы выпуска ДВС по сравнению с аналогами.
В качестве прототипа выбрано устройство каталитического коллектора системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (патент РФ на полезную модель №67647, МПК F01N 3/28, опубл. 19.03.2007), содержащее, в частности, 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 выхлопа ДВС, кронштейны крепления каталитического коллектора, которые неразъемно закреплены на корпусе каталитического носителя и выполнены в виде опорных полок.
К очевидным недостаткам рассмотренных выше конструкций каталитических коллекторов системы выпуска отработавших газов ДВС следует отнести следующее:
- относительно низкое значение коэффициента равномерности распределения газового потока (Uniformity Index), за счет особенностей верхнего газоприемника с раздельными входами выпускных патрубков от каждого цилиндра ДВС непосредственно в приемную полость блока нейтрализатора, и как следствие, неравномерное использование каталитического покрытия блока нейтрализатора и его преждевременное выгорание;
- набегание газового потока с вектором скорости близким к перпендикуляру к торцевой поверхности блока нейтрализатора, и как следствие, образование в каналах ячеек блока пристеночного слоя газа в котором происходит химическая реакция очистки и центрального слоя газа, который проходит сквозь матрицу блока, не вступив в реакцию.
Заявляемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков. Решение технической задачи достигается путем целенаправленного изменения конструкции верхнего газоприемника выпускного катколлектора.
Суть заявляемого технического решения поясняется на чертежах.
На фиг.1 и фиг.2 показана компоновка ДВС и место установки выпускного катколлектора.
На фиг.3, фиг.4 и фиг.5 показан выпускной катколлектор с расширительной газосмесительной камерой.
На фиг.6 показаны поток отработавших газов от одного из отверстий выпускных каналов головки блока цилиндров в виде линий тока, определенных с использованием современных расчетных комплексов.
На фиг.7 показано распределение векторов скорости на торцевой поверхности блока нейтрализатора потока отработавших газов от одного из отверстий выпускных каналов головки блока цилиндров, определенных с использованием современных расчетных комплексов.
На фиг.8, фиг.9, фиг.10, показана эффективность заявляемого технического решения в виде графиков уровней степени конверсии отработавших газов, аппаратурно замеренных на ДВС рабочим объемом 1.5 л легкового автомобиля 2-го класса в условиях динамометрического моторного бокса.
Многоцилиндровый ДВС (фиг.1, фиг.2) содержит блок цилиндров 1, головку блока цилиндров 2 с впускными и выпускными каналами, в которых установлены впускные и выпускные клапаны, впускной коллектор 3, выпускной каталитический катколлектор 4.
Выпускной каталитический коллектор (фиг.3, фиг.4, фиг.5) состоит из верхнего газоприемника 5, содержащего фланец головки блока цилиндров 6 с впускными патрубками 7, число которых соответствует числу цилиндров ДВС, отходящими непосредственно от отверстий выпускных каналов головки цилиндров и входящими в полость расширительной газосмесительной камеры 8, снабженной установочным отверстием управляющего датчика кислорода 9, сообщающейся через отверстие горла 10 с приемной полостью блока нейтрализатора 11, блока каталитического нейтрализатора 12 с кронштейнами крепления 13 и нижнего газоприемника 14, образующего выходную полость блока нейтрализатора 15, снабженную установочным отверстием диагностического датчика кислорода 16, и содержащего фланец крепления к тракту системы выпуска отработавших газов ДВС 17.
кам
г
г
Σтp
г
нейтр
Σтp
нейтр
Отличительной особенностью предлагаемого технического решения является то, что сечение камеры может быть круглым или овальным. При этом, максимальная площадью проходного сечения расширительной газосмесительной камеры F=(1.2…2.0)*F, где максимальная площадь проходного сечения горла F=(1.5…2.5)*F и F=(1.0…1.8)*F, где F - суммарная площадь проходных сечений впускных патрубков в плоскости фланца головки блока цилиндров, F - площадь проходного сечения проточной части блока каталитического нейтрализатора, которое может быть круглым, овальным или многоугольным.
Положение управляющего датчика кислорода и его ориентация в полости верхнего газоприемника определены с использованием современных расчетных комплексов таким образом, что чувствительный элемент омывается потоками отработавших газов равномерно от всех цилиндров ДВС, а отбор проб газов осуществляется из зоны максимальных скоростей потоков, позволяя электронной системе управления ДВС более остро реагировать на изменения рабочих процессов.
Расширительная газосмесительная камера выполняет функцию ресивера, в котором происходит интенсивное перемешивание отработавших газов поступающих по впускным патрубкам коллектора последовательно из выпускных каналов камер сгорания ДВС. Предварительное перемешивание потоков отработавших газов от отдельных цилиндров в полости расширительной газосмесительная камеры обеспечивает более однородный газовый поток на входе в ячеистую структуру блока каталитического нейтрализатора (коэффициент равномерности распределения газового потока Uniformity Index, определенный с использованием современных расчетных комплексов, U=0.91…0.93 - при продувке последовательно через один из впускных патрубков с расходом газа µ, соответствующим расходу газа при работе ДВС на максимальных оборотах, и U=0.98 - при продувке через все патрубки одновременно с суммарным расходом газа µ, соответствующим расходу газа при работе ДВС на максимальных оборотах), тем самым, повышая эффективность его работы. При этом, происходит центрифугирование потоков вдоль внутренних стенок расширительной газосмесительной камеры и выход через отверстие горла в приемную полость, где закрученный поток, продолжая движение, попадает на открытые срезы ячеек торцевой поверхности блока каталитического нейтрализатора под наклоном, а затем под действием избыточного давления продавливается сквозь каналы ячеек. При таком набегании потока газа на торцевую поверхность блока каталитического нейтрализатора, его отдельные струи продолжают вращательное движение в каналах ячеек, многократно отражаясь и совершая столкновения со стенками каналов, обеспечивая более полный контакт с каталитическим покрытием, исключая возникновение пристеночного слоя. В отличие от неперпендикулярного (под наклоном) набегания потока газа на открытые срезы ячеек блока каталитического нейтрализатора, набегание с вектором скорости потока близкому к нормальному к торцевой поверхности блока каталитического нейтрализатора, в канале образуется пристеночный слой, в котором происходит хим. реакция очистки, а центральная часть газа проходит сквозь матрицу блока каталитического нейтрализатора неочищенной.
Открытие выпускного клапана (клапанов) в одном из цилиндров ДВС вызывает перепад давления до и после клапана (в цилиндре двигателя по отношению к окружающей среде). Пульсации воздуха и упругие волны разрежения-сжатия воздушной среды, заполняющей трассу системы выпуска, со скоростью звука распространяются по направлению от выпускного клапана к открытому срезу глушителя, а также в направлении всех свободных отводных тупиковых выпускных труб с закрытыми выпускными клапанами. Т.е. образуется звуковое газодинамическое поле многократно отражающихся упругих волн в сложном геометрическом объеме выпускной системы, с излучением энергии этих упругих волн в окружающую среду посредством передачи через стенки элементов системы выпуска, в том числе катколлектора.
В рассматриваемом каталитическом коллекторе системы выхлопа отработавших газов ДВС расширительная газосмесительная камера и последующее зауженное горло образуют объемный резонатор, воздушный объем полости которого, расположенный в непосредственной близости от выпускных клапанов ДВС, обеспечивает дополнительное демпфирование вышеописанных пульсации отработавших газов. Кроме этого, горло выполняет функцию кольцевой канавки на поверхности верхнего газоприемника. Это приводит к увеличению изгибной жесткости, ослаблению структурного звука, производимого корпусом каталитического коллектора, и сводит к минимуму передачу наиболее энергоемкой низшей собственной резонансной продольной и поперечной моды колебаний газового объема через стенки корпуса катколлектора. Особенно актуально это для тонкостенной структуры, ввиду ослабления ее виброакустической возбудимости.
Предложенное техническое решение может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо, воспроизводимо, следовательно, практическая реализация предлагаемого технического решения отличается технологической простотой, высокой надежностью и эффективностью. При этом промышленный выпуск полезной модели возможен на стандартном оборудовании с применением известных, хорошо отработанных технологий.