СИСТЕМА ВЫПУСКА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Полезная модель относится к двигателестроению, в частности, к многоцилиндровым двигателям внутреннего сгорания (далее ДВС) с системой нейтрализации отработавших газов.
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. С другой стороны, подавление резонансных пульсаций газа в выпускной системе ДВС благоприятно с точки зрения снижения звукового (шумового) излучения в окружающую среду, производимого как открытым срезом выпускного патрубка глушителя (аэродинамический шум), так и вибрирующими стенками элементов системы выпуска (структурный, корпусной шум).
Известна система выпуска отработавших газов (патент на изобретение RU 2227834, МПК F01N 7/10, опубл. 27.04.2004), содержащая выпускной коллектор для объединения потоков отработавших газов (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.
Известно устройство каталитического коллектора системы выхлопа ДВС (полезная модель RU 30855, МПК F01N 7/10, F01N 3/28, опубл. 10.07.2003.), 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, 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 стенкамикорпуса, 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.
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). Каталитический коллектор состоит из верхнего газоприемника с фланцем головки цилиндров и выпускными патрубками, число которых соответствует числу цилиндров ДВС, каталитического блока нейтрализатора и нижнего газоприемника с фланцем приемной трубы.
Очевидным недостатком известного заявляемого устройства является относительно низкое значение коэффициента равномерности распределения газового потока, за счет особенностей верхнего газоприемника с раздельными входами выпускных патрубков от каждого цилиндра ДВС в приемную полость блока нейтрализатора, и как следствие, неравномерное использование каталитического покрытия блока нейтрализатора и его преждевременное выгорание.
Заявляемое техническое решение направлено на устранение указанных недостатков.
Решение технической задачи достигается путем целенаправленного изменения конструкции верхнего газоприемника выпускного катколлектора.
Система выпуска двигателя внутреннего сгорания (ДВС), содержащая выпускной кататалитический коллектор, состоящий из верхнего газоприемника с фланцем головки блока цилиндров и выпускными патрубками, число которых соответствует числу цилиндров ДВС, каталитический блок нейтрализатора и нижний газоприемник с фланцем приемной трубы, согласно полезной модели, в верхний газоприемник выпускного каталитического коллектора интегрирован газосборный ресивер с переходным патрубком, соединяющим полость ресивера и приемную полость блока нейтрализатора.
Потоки отработавших газов, двигаясь от отверстий выпускных каналов головки блока цилиндров по траекториям выпускных патрубков, тангенциально входят в полость газосборного ресивера и продолжают движение в нем циклоническим образом.
Кроме того, на поверхности газосборного ресивера выполнены спиральные канавки, способствующие заданному направлению захода потоков отработавших газов в переходный патрубок, и выполняющие функцию ребер жесткости.
Кроме того, верхний газоприемник выполнен штампосварным из двух штампованных половинок, образующих выпускные патрубки и газосборный ресивер, и двух штампованных половинок, образующих переходный патрубок и приемную полость блока нейтрализатора.
Суть заявляемого технического решения поясняется на чертежах.
На фиг.1 и фиг.2 показана компоновка ДВС и место установки выпускного каталитического коллектора.
На фиг.3 показан выпускной катколлектор с ассиметричным газоприемником и газосборным ресивером.
На фиг.4 показана схема движения отработавших газов от отверстий выпускных каналов головки блока цилиндров.
На фиг.5, фиг.6 и фиг.7 показан вариант исполнения выпускного катколлектора в заявляемом техническом решении.
Многоцилиндровый ДВС содержит блок цилиндров 1, головку блока цилиндров 2 с впускными и выпускными каналами, в которых установлены впускные и выпускные клапаны, впускной коллектор 3, выпускной катколлектор 4.
Выпускной катколлектор состоит из верхнего газоприемника 5, содержащего фланец головки блока цилиндров 6 с выпускными патрубками 7, отходящими непосредственно от отверстий выпускных каналов головки цилиндров и выходящими в общую приемную полость блока нейтрализатора 8, каталитический блока нейтрализатора 9 и нижнего газоприемника 10, образующего выходную полость блока нейтрализатора 11 и содержащего фланец приемной трубы 12.
Выпускной катколлектор дополнительно содержит газосборный ресивер 13 и переходный патрубок 14. Отработавшие газы, двигаясь от отверстий выпускных каналов головки блока цилиндров (фиг.4) по траекториям 15 выпускных патрубков тангенциально входят в полость газосборного ресивера и продолжают движение в нем циклоническим образом. Направляющие спиральные канавки 16 (фиг.5, фиг.6, фиг.7), спрофилированные на цилиндрической поверхности газосборного ресивера, способствуют заданному направлению захода потоков отработавших газов в переходный патрубок, а затем их попадание в приемную полость блока нейтрализатора.
Открытие впускного 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 рассматриваемой системе выпуска многоцилиндрового ДВС направляющие спиральные канавки на поверхности газосборного ресивера верхнего газоприемника выполняют также роль оребрения. Это приводит к увеличению изгибной жесткости, ослаблению структурного звука, производимого корпусом катколлектора, 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. Воздушный объем полости газосборного ресивера в конструкции верхнего газоприемника, расположенный в непосредственной близости от выпускных клапанов ДВС, обеспечивает дополнительное демпфирование вышеописанных пульсации отработавших газов.
Практическая реализация варианта исполнения (фиг.5, фиг.6 и фиг.7) выпускного катколлектора с верхним штампосварным газоприемником из штампованных половинок 17, 18 образующих выпускные патрубки и газосборный ресивер, и штампованных половинок 19, 20 образующих переходный патрубок и приемную полость блока нейтрализатора, предлагаемого технического решения отличается технологической простотой, высокой надежностью и эффективностью.
На фиг.8, фиг.9, фиг.10, фиг.11 показана эффективность заявляемого технического решения в виде графиков уровней газодинамического сопротивления и уровней степени конверсии отработавших газов аппаратурно замеренных на специализированном стенде проверки газодинамического сопротивления нейтрализаторов и на ДВС в условиях динамометрического моторного бокса. Увеличенные площади проходных сечений газосборного ресивера и переходного патрубка, а также относительно короткие участки выпускных патрубков обеспечивают меньшее газодинамическоге сопротивление. Предварительное перемешивание потоков отработавших газов от отдельных цилиндров в полости газосборного ресивера и в переходном патрубке обеспечивает более однородный газовый поток на входе в ячеистую структуру каталитического блока нейтрализатора, тем самым, повышая эффективность его работы.