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 ОГ ДВС).
Требования по допустимому уровню токсичности отработавших газов автомобильных ДВС обусловили введение в конструкцию тракта системы выпуска ОГ ДВС каталитических нейтрализаторов.
Нейтрализаторы начинают эффективно работать (нейтрализовать химически активные продукты неполного сгорания) только при достижении определённой, достаточно высокой (несколько сот градусов Цельсия) температуры отработавших газов. А до этого периода, т.е. сразу после запуска и начальной стадии прогрева ДВС, выпуск ОГ в атмосферу осуществляется практически неочищенный.
Введение более жёстких 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 путём размещения его непосредственно в полости выпускного коллектора, DE 4236893, МПК5 F01N 3/28, от 19.05. 93; US 5388407, МПК5 F01N 3/20, от 14.02.95. Именно такой конструктивный приём заложен в предлагаемой ниже полезной модели.
Известно устройство каталитического коллектора системы выпуска ОГ ДВС, патент Японии № 63016118, МПК5 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 размещён 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 ОГ ДВС, 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 ОГ ДВС, прежде всего в период пуска холодного ДВС, 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 выпуска ОГ 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 выпуска ОГ ДВС содержит две проточные трубы, одна из которых образована сходящимися на выходе патрубками первого и четвёртого 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, снабжённой 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 неразъёмного 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 четвёртого, 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, снабжённым средствами снижения шума,
выполненными в виде концентрично расположенных на стенках кожуха рёбер жёсткости.
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, NОх), находящихся в продуктах сгорания ДВС в окружающую среду, уменьшении гидродинамических сопротивлений в тракте выпуска ОГ ДВС, а также аэродинамического сопротивления.
Технический результат в рассматриваемой полезной модели достигается за счёт того, что в известном каталитическом коллекторе системы выпуска ОГ ДВС, содержащем две проточные трубы, одна из которых образована сходящимися на выходе патрубками первого и четвёртого 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, снабжённой установочным элементом управляющего датчика кислорода, и образованной 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 ОГ ДВС, при этом корпус каталитического носителя и входной конический патрубок
охвачены с образованием воздушного зазора тепло - звукоизолирующим кожухом, консольно смонтированном 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, в зоне незакреплённого входного участка кожуха, образован раструб.
Это дает возможность не только увеличить объём общей газоприемной камеры, что позволяет улучшить процесс газосмешивания потоков ОГ, поступающих в общую газоприемную камеру, но и уменьшить термические напряжения в зоне телескопического соединения цилиндрического выходного участка со стенкой корпуса каталитического носителя, за счёт некоторого удаления (в сравнении с прототипом) цилиндрического выходного участка входного конического патрубка из более "горячей" в более "холодную" зону.
Осевая длина телескопического сопряжения цилиндрического выходного участка входного конического патрубка с корпусом каталитического носителя, как это было установлено эмпирическим путём, должна составлять не менее трёх толщин стенки цилиндрического выходного участка. При меньших значениях не обеспечивается достаточная прочность и надёжность в телескопическом соединении цилиндрического выходного участка со стенкой корпуса каталитического носителя. При больших значениях неизбежен повышенный расход металла и утяжеление конструкции. Точное значение длины телескопического соединения устанавливается с учётом его минимальной длины и возможностей технологического оборудования. В частности, в опытных образцах заявляемой полезной модели, при толщине стенки конического патрубка 2,0 мм, осевая длина телескопического соединения составила 8 мм.
Как и в прототипе, газосмесительная камера может быть снабжена установочным элементом диагностического датчика кислорода. Здесь всё зависит от применения конкретной системы электронного управления ДВС.
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, 2 и 3 показан заявляемый каталитический нейтрализатор;
На фиг. 4 показана газосмесительная камера с присоединительным фланцем крепления каталитического коллектора к тракту выпуска ОГ ДВС;
На фиг. 5 показано телескопическое соединение входного конического патрубка со стенкой корпуса каталитического носителя.
Символами на фигурах показаны:
- "S" - осевая длина телескопического сопряжения, мм.
Каталитический коллектор системы выпуска ОГ ДВС содержит две проточные трубы 1 и 2, одна из которых образована сходящимися
на выходе патрубками 3 и 4, соответственно, первого и четвёртого цилиндров ДВС, а другая образована сходящимися на выходе патрубками 5 и 6, соответственно, второго и третьего цилиндров, входные концы которых смонтированы в общем присоединительном фланце 7, а выходные концы сходятся в общей газоприемной камере 8, снабжённой установочным элементом управляющего датчика кислорода 9, и образованной изогнутым входным коническим патрубком 10, имеющим цилиндрический выходной участок 11, неразъемно смонтированный на стенке корпуса 12 каталитического носителя 13., Последний выполнен в виде, по крайней мере, одного металлического газопроницаемого цилиндрического моноблока, боковые стенки которого находятся в плотном контакте со стенками корпуса 12, на выходе которого образована газосмесительная камера 14 с присоединительным фланцем 15 крепления к тракту выпуска (не показан) ОГ ДВС. Корпус 12 каталитического носителя 13 и входной конический патрубок 10 охвачены с образованием воздушного зазора тепло - звукоизолирующим кожухом 16, консольно смонтированном на выходном участке 17 корпуса 12 каталитического носителя. Цилиндрический выходной участок 11 входного конического патрубка 10 смонтирован на внешней стенке корпуса 12 каталитического носителя. Между наружной стенкой входного конического патрубка 10, в зоне незакреплённого входного участка кожуха 16, образован раструб 18.
Газосмесительная камера 14 снабжена установочным элементом 19 диагностического датчика кислорода.
Работает каталитический коллектор обычным образом. Отработавшие газы поступают через патрубки 3...6 в полость газоприемной камеры 8, просачиваются через поры каталитического носителя 13, очищаются при этом от токсичных веществ до требуемого стандартами уровня и отводятся через газосмесительную камеру 14 в трассу системы выпуска и шумоглушения и далее в атмосферу.
Расположение установочного элемента управляющего датчика кислорода по оси потока газа, входящего в корпус каталитического
носителя и на равных расстояниях от выходных срезов, соответственно, патрубков 3 и 4 первого и четвёртого, и 5 и 6 второго и третьего цилиндров, позволяет наиболее точно снимать показания датчика по химическому составу отработавших газов. Поскольку именно в этой зоне происходит "встреча" всех четырёх потоков отработавших газов в газоприемной камере.
Охват корпуса 12 каталитического носителя 13 цилиндрическим участком 11 входного конического патрубка 10 с внешней его стороны, позволяет наиболее полно и эффективно использовать всю структуру каталитического носителя для очистки отработавших газов. Одновременно с этим уменьшается теплонапряженность в участке этого соединения.
Наличие между наружной стенкой входного конического патрубка 10, в зоне незакреплённого входного участка кожуха 16 раструба 18, существенно улучшает процессы газодинамики внутри кожуха 16 и улучшает акустические качества конструкции, за счёт уменьшения процессов вихреобразования в зоне входа/выхода воздушного потока в полость кожуха 16.
Использование заявленного технического решения позволяет создать недорогую и компактную конструкцию эффективного каталитического коллектора, повысить конкурентоспособность отечественных автомобилей за счёт соответствия их экологической безопасности мировым стандартам, снизить загрязнение воздуха в населённых пунктах токсичными компонентами отработавших газов автотранспортных средств, силовой агрегат которых выполнен на базе ДВС.
Разумеется, полезная модель не ограничивается описанным выше конкретным конструктивным примером её 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 объёма притязаний, обозначенного независимым пунктом формулы полезной модели.