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. 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, 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 предлагаемой ниже полезной модели.
Известно устройство каталитического коллектора системы выпуска отработавших газов ДВС, патент Японии №63016118, МПК 5 F01N 7/10, F01N 7/18, публ. 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.
Известна система выпуска отработавших газов (далее ОГ), патент на изобретение RU 2227834, МПК F01N 7/10, опубликовано 27.04.2004, патентообладатель ЭМИТЕК ГЕЗЕЛЬШАФТ ФЮР ЭМИССИОНСТЕХНОЛОГИ МБХ, 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. Между выходным сечением и сотовым элементом имеется проточная полость, в которой предусмотрена, по меньшей мере, первая направляющая пластина для отклонения, по меньшей мере, части потоков ОГ, причем пластина является компонентом кожуха. 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.
В современные конструкциях каталитических коллекторов применяются каталитические носители имеющие в поперечном сечении овальную форму, см., например, патент на изобретение RU 2113232, МПК F01N 3/28, от 27.09.2003, патентообладатель ЭМИТЕК ГЕЗЕЛЬШАФТ ФЮР ЭМИССИОНСТЕХНОЛОГИ МБХ.
В качестве прототипа выбрано устройство каталитического коллектора системы выхлопа ДВС, известное из описания к свидетельству на полезную модель RU 30855, МПК7 F01N 7/10, F01N 3/28, публ. 2003.07.10. 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, 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 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. 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.
Исследования проведенные с опытными образцами конструкции прототипа, описанного выше, дают основания говорить о том, что имеются возможности дальнейшего совершенствования каталитического коллектора в части повышения его основных технических характеристик.
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, 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.
Технический результат в рассматриваемой полезной модели достигается 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, 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, при этом корпус каталитического носителя охвачен с образованием воздушного зазора тепло-звукоизолирующим кожухом, 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 двигателя внутреннего сгорания 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 на выходе из 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. В зазоре между тепло-звукоизолирующим кожухом и корпусом каталитического носителя может быть размещен тепло-шумо-вибродемпфирующий материал, например, имеющий в своей структуре базальтовое или мулитокремниземистое волокно. Второй торец кожуха может быть закреплен на корпусе каталитического носителя посредством локальных сварных соединений (прерывистый шов). Кронштейны крепления каталитического коллектора смонтированы на корпусе каталитического носителя посредством приварки раскосов к корпусу каталитического носителя.
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.
На фиг.1...5 в различных проекциях изображен заявляемый каталитический коллектор.
На фиг.6 показано поперечное сечение каталитического коллектора Г-Г по фиг.4.
На фиг.7 увеличено показан вид 1 фигуры 3.
На фиг.8 показано сечение А-А фигуры 3.
Каталитический коллектор системы выпуска ОГ ДВС, изображенный на представленных фигурах, содержит разветвленный проточный трубопровод 1, составленный из отдельных патрубков 2...5, число которых соответствует числу цилиндров ДВС. Входные концы 6...9 патрубков 2...5 закреплены в присоединительном фланце 10 крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС. На выходе патрубки 2...5 сходятся в общей газоприемной камере 11, снабженной установочным элементом 12 управляющего датчика (не показан) кислорода, и сопряженной с корпусом 13 каталитического носителя 14,
выполненного в виде, по крайней мере, одного газопроницаемого цилиндрического блока, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса 13, на выходе которого образована газосмесительная камера 15, снабженная установочным элементом 16 диагностического датчика (не показан) кислорода и присоединительным фланцем 17 крепления к системе выпуска ОГ ДВС. Корпус 13 каталитического носителя охвачен с образованием воздушного зазора 18 тепло-звукоизолирующим кожухом 19.
Присоединительный фланец 10 крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС выполнен в виде сплошного, плоского, прямоугольного, со скругленными углами основания, снабженного сквозными присоединительными отверстиями 20...23 под соответствующие патрубки 2...5 проточного трубопровода 1. Проточный трубопровод 1 выполнен из двух фасонно отштампованных и неразъемно сопрягаемых между собой половин 24 и 25, с образованием при их взаимном сопряжении в межпатрубковом пространстве плоских участков 26...28, находящихся в плотном взаимном контакте. Наружные кромки половин 24 и 25 выполнены в виде плоских отбортовок 29, торцы 30...33 которых на входе патрубков 2...5 сопрягаются с присоединительным фланцем 10 крепления каталитического коллектора, а на выходе проточного трубопровода 1 неразъемно закреплены на корпусе 13 каталитического носителя 14.
Технический результат при таком конструктивном исполнении заключается в уменьшении гидравлических сопротивлений в системе выпуска ОГ, что приводит к увеличению эффективной мощности ДВС. Этому способствует и овальная форма сечения каталитического носителя 14, поскольку при сохранении высоты носителя (ее увеличение очень проблематично из соображений компоновки), представленного в прототипе, увеличение его ширины (что конструктивно вполне допустимо) позволяет увеличить площадь проходного сечения носителя 14, через который просачиваются отработавшие газы. Одновременно с этим существенно упрощается конструкция каталитического коллектора, поскольку вместо отдельных
выпускных патрубков, что имеет место в прототипе, патрубки 2...5 сформированы штампованными половинами 24 и 25 (всего две детали). Надежность конструкции и ее крепления на корпусе ДВС повышается за счет достаточно массивного присоединительного фланца 10 и рационального использования длин патрубков 2...5, когда крайние патрубки 2 и 5 имеют большую продольную кривизну в сравнении с патрубками 3 и 4, что позволяет компенсировать отрицательное влияние термических напряжений в структуре материала, из которого выполнены названные элементы каталитического коллектора.
Входные концы 6...9 патрубков частично размещены и неразъемно закреплены в соответствующих отверстиях 20...23 присоединительного фланца 10 посредством сварки.
Как это уже было отмечено, продольная кривизна крайних патрубков 2 и 5 проточного трубопровода 1 превышает величину продольной кривизны патрубков 3 и 14, расположенных между ними, каталитический носитель 14 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 13. Матрица блока носителя 14 сформирована из металлической ленты, имеющей S-образную форму закрутки. Общая газоприемная камера 11 с корпусом 13 каталитического носителя 14 образует телескопическое соединение. За счет такого конструктивного исполнение повышается работоспособность узла крепления выхода 34 проточного трубопровода 1 с корпусом 13, за счет уменьшения термических напряжений, в сравнении с тем, что имеет место в прототипе, где выход 34 размещен внутри корпуса 13.
Геометрический центр установочного элемента 12 управляющего датчика кислорода расположен на равном расстоянии от геометрических центров сквозных присоединительных отверстий 20 и 23 присоединительного фланца 10, под крайние патрубки 2 и 5
проточного трубопровода 1, что повышает точность замеров параметров токсичности датчиком кислорода, поскольку именно в этой зоне происходит наиболее полное смешение отработавших (выхлопных) газов. Газосмесительная камера 15 образована наклонным коническим патрубком 35, выполненным из двух неразъемно сопрягаемых между собой отштампованных половин 36 и 37, наружные кромки которых выполнены в виде плоских отбортовок 38, при этом установочный элемент 16 диагностического датчика кислорода смонтирован на конической стенке 36 патрубка 35 большей высоты. В этой зоне обеспечивается наибольшая точность отбора параметров, а соответственно и контроль состояния токсичности отработавших газов ДВС.
Тепло-звукоизолирующий кожух 19 выполнен в виде двух оребренных отштампованных взаимно неразъемно сопрягаемых (например, сваркой) частей 39 и 40, причем, по крайней мере, один из торцов 41 кожуха 19 неразъемно (например, сваркой) закреплен на корпусе 13 каталитического носителя 14. Это дает возможность компенсировать температурные удлинения кожуха при его нагреве.
Кожух 19 снабжен симметричными относительно продольной оси корпуса 13 каталитического носителя 14 окнами 42 под выход кронштейнов 43 крепления каталитического коллектора, которые неразъемно закреплены на корпусе 13 каталитического носителя 14 и выполнены в виде опорных полок 44 с боковыми раскосами 45, причем в опорных полках выполнены вытянутые в направлении перпендикулярном оси корпуса 13 каталитического носителя 14 сквозные отверстия 46. Каждое из окон 42 под выход кронштейнов 43 пересекает линию сопряжения частей 39 и 40 кожуха.
Плоские отбортовки 29 фасонно отштампованных половин 24 и 25 проточного трубопровода 1, включая межпатрубковые участки 26, 27 и 28, а также плоские отбортовки 38 наклонного конического патрубка 15 скреплены посредством сварного соединения.
В зазоре 18 между тепло-звукоизолирующим кожухом 19 и корпусом 13 каталитического носителя 14 может быть размещен тепло-шумо-вибродемпфирующий материал 47, например, имеющий в своей структуре базальтовое или мулитокремниземистое волокно. Это существенно повышает виброакустические качества конструкции каталитического коллектора.
Второй торец кожуха 19 может быть закреплен на корпусе 13 каталитического носителя 14 посредством локальных сварных соединений (прерывистый шов). Такое конструктивное исполнение с одной стороны позволит снизить вибрации установленного на корпусе 13 каталитического носителя 14, а с другой стороны не будет препятствовать компенсации его удлинения при нагреве его структуры, что исключает возможную поломку кожуха 19.
Кронштейны 43 крепления каталитического коллектора смонтированы на корпусе 13 каталитического носителя 14 посредством приварки раскосов 45 к корпусу 13 каталитического носителя 14. В этом случае, остающаяся неприваренной опорная полка 44 имеет некоторую свободу перемещения под воздействием высокой температуры, что обеспечивает температурную компенсацию и исключает поломку кронштейнов 43.
Работает каталитический коллектор обычным образом. Отработавшие газы поступают через патрубки 2...5 в полость газоприемной камеры 11, просачиваются через поры каталитического носителя 13, очищаются при этом от токсичных веществ до требуемого стандартами уровня и отводятся через газосмесительную камеру 15 в трассу системы выпуска ОГ и шумоглушения и далее в атмосферу.
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, снизить загрязнение воздуха в населенных пунктах токсичными компонентами
отработавших газов автотранспортных средств, силовой агрегат которых выполнен на базе ДВС.
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.