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).
Современные требования по допустимому уровню токсичности отработавших газов автомобильных ДВС обусловили введение в конструкцию тракта системы выпуска отработавших газов каталитических нейтрализаторов.
В настоящее время нашли широкое распространение две концепции конструктивного построения каталитических нейтрализаторов - с керамическими и металлическими блоками-носителями.
Следует отметить, что оба типа таких нейтрализаторов 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, выпуск отработавших газов в атмосферу осуществляется практически неочищенный.
На сегодняшний день такая ситуация стала недопустимой, что потребовало введения еще более жестких норм по токсичности и, соответственно, создания еще более совершенных конструкций, обеспечивающих эффективную работу нейтрализатора практически сразу после пуска ДВС.
Эта техническая проблема решается двумя путями. Во-первых, появились конструкции нейтрализаторов с электрическими подогревателями, включение которых осуществляется перед запуском ДВС, для предварительного подогрева до определенной температуры входного участка каталитического носителя, US №5571485, МПК6 F01N 3/10, 1996.
Второй технический прием заключается в максимальном приближении каталитического носителя к выпускному клапану ДВС, ЕПВ (ЕР) 0542002, F01N 3/28, 1993, либо путем 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 прием заложен в заявляемой ниже полезной модели.
Известна полезная модель, которая защищена патентом №67647 U1 «Каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания», МПК F01N 3/28, опубликованным 27.10.2007, бюллетень №30. Каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов ДВС, содержит разветвленный проточный трубопровод, составленный из отдельных патрубков, (здесь и далее терминология аналогов взята из первоисточников) 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 системы выпуска отработавших газов ДВС, при этом корпус каталитического носителя охвачен с образованием воздушного зазора тепло- звукоизолирующим кожухом. Отличительной особенностью конструкции является то, что 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 ДВС 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 частично размещена внутри корпуса каталитического носителя, таким образом, что выход 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.
Плоские участки в межпатрубковом пространстве, находящиеся в плотном взаимном контакте, а также наружные кромки половин выполненные в виде плоских отбортовок, являются сами по себе эффективными генераторами акустической энергии. Кроме того, разунификация патрубков в части углов гиба усложняет конструкцию.
Известна полезная модель, защищенная патентом №91110 U1 «Каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания», МПК F01N 3/28, который опубликован 27.01.2010. Каталитический коллектор ДВС содержит 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, а выходные - на общей газоприемной камере, снабженной установочным элементом управляющего датчика кислорода, и телескопически неразъемно сопряженной с корпусом каталитического носителя, снабженного по бокам кронштейнами его закрепления в автомобиле и выполненного в виде, по крайней мере, одного газопроницаемого блока, имеющего в поперечном сечении форму овала, на выходе которого телескопически неразъемно установлена выполненная из двух фасонно отштампованных и неразъемно соединенных между собой вдоль продольной оси половин газосмесительная камера, снабженная установочным элементом диагностического датчика кислорода и присоединительным фланцем крепления к тракту выхлопа ДВС, причем проточный трубопровод и газоприемная камера выполнены совместно из двух фасонно отштампованных и неразъемно соединенных между собой вдоль продольной оси половин. Отличительной особенностью является то, что каталитический носитель выполнен в виде керамического блока и снабжен по наружной боковой поверхности плотно прилегающей к корпусу каталитического носителя теплоизолирующей прокладкой, которые совместно плотно запрессованы в корпусе каталитического носителя, причем присоединительный фланец крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС имеет, в основном, прямоугольную форму, а входные концы отдельных патрубков проточного трубопровода закреплены в присоединительном фланце крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС на одинаковом расстоянии друг от друга.
Известна полезная модель, защищенная патентом №91133 U1 «Каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания», МПК F01N 3/28, который опубликован 27.12.2009. Каталитический коллектор ДВС содержит 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, а выходные - на общей газоприемной камере, снабженной установочным элементом управляющего датчика кислорода, и телескопически неразъемно сопряженной с корпусом каталитического носителя, снабженного по бокам кронштейнами его закрепления в автомобиле, и выполненного в виде, по крайней мере, одного газопроницаемого блока, имеющего в поперечном сечении форму овала, на выходе которого телескопически неразъемно установлена выполненная из двух фасонно отштампованных и неразъемно соединенных между собой вдоль продольной оси половин газосмесительная камера, снабженная установочным элементом диагностического датчика кислорода и присоединительным фланцем крепления к тракту системы выпуска отработавших газов ДВС, причем проточный трубопровод и газоприемная камера выполнены совместно из двух фасонно отштампованных и неразъемно соединенных между собой вдоль продольной оси половин. Отличительной особенностью является то, что каталитический носитель выполнен в виде керамического блока и снабжен по наружной боковой поверхности плотно прилегающей к корпусу каталитического носителя теплоизолирующей прокладкой, которые совместно плотно запрессованы в корпусе каталитического носителя.
Объем защиты полезной модели, защищенной патентом №90133 полностью совпадает с объемом патентных прав полезной модели, защищенной патентом №91110, однако в последнем дополнительно оговорены признаки, характеризующие конструкцию присоединительного фланца крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС, который имеет, в основном, прямоугольную форму, а входные концы отдельных патрубков проточного трубопровода закреплены в присоединительном фланце крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС на одинаковом расстоянии друг от друга.
Здесь также можно отметить то, что увеличенные в размерах жесткие фланцы, как в первом случае, так и во втором, являются сами по себе эффективными генераторами акустической и тепловой энергии, что обуславливает излучение от корпуса значительного теплового потока в стесненное пространство моторного отсека автомобиля, с влиянием тепловой энергии на близ расположенные функциональные элементы силового агрегата. Это же относится и к прямоугольной форме фланца крепления каталитического коллектора к корпусу головки цилиндров ДВС.
Известна полезная модель, защищенная патентом №89628 U1 «Каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания», МПК F01N 3/28, опубликован 10.12.2009. Каталитический коллектор содержит корпус моноблока с каталитическим носителем, на выходе которого имеется газосмесительная камера с присоединительным фланцем к тракту системы выпуска отработавших газов ДВС, а на входе - газоприемная камера с патрубками подвода отработавших газов от цилиндров двигателя внутреннего сгорания, причем корпус газоприемной камеры выполнен в виде сваренных по осевому разъему полукорпусов. Отличительной особенностью является то, что патрубки подвода отработавших газов от цилиндров выполнены одногибовыми, причем два центральных патрубка направлены вдоль продольной оси моноблока, а моноблок с каталитическим носителем выполнен укороченным, овальной формы. Фланцы, на чертеже патента они показаны поз.12, сварного корпуса газоприемной камеры увеличены и являются ребрами жесткости.
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 каталитического носителя, и как следствие, неравномерное использование каталитического покрытия блока каталитического носителя и его преждевременное выгорание;
- набегание газового потока с вектором скорости близким к перпендикуляру к торцевой поверхности блока каталитического носителя, 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.
Известно устройство системы выпуска ДВС, защищенной патентом на полезную модель №92097 U1, МПК F01N 3/28, опубликованным 10.03.2010, состоящей из верхнего газоприемника с фланцем головки блока цилиндров и выпускными патрубками, каталитический блок нейтрализатора и нижний газоприемник с фланцем приемной трубы. Отличительной особенностью является то, что в верхний газоприемник выпускного катколлектора 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. На поверхности газосборного ресивера выполнены спиральные канавки, способствующие заданному направлению захода потоков отработавших газов в переходный патрубок, и выполняющие функцию ребер жесткости. 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.
кам
г
г
тр
г
нейтр
тр
нейтр
---
---
∑
---
∑
Известно устройство каталитического коллектора системы выхлопа отработавших газов ДВС, защищенной патентом на полезную модель №101734 U1, МПК F01N 3/28, опубликованным 27.01.2011, состоящего из верхнего газоприемника с фланцем головки блока цилиндров, впускными патрубками и установочным отверстием управляющего датчика кислорода, блока каталитического нейтрализатора с кронштейнами крепления и нижнего газоприемника с фланцем крепления к тракту системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания и отверстием диагностического датчика кислорода. Отличительной особенностью является то, что отходящие непосредственно от отверстий выпускных каналов головки цилиндров впускные патрубки входят в полость расширительной газосмесительной камеры, интегрированной в верхний газоприемник, сообщающейся через отверстие горла с приемной полостью блока нейтрализатора. Максимальная площадь проходного круглого или овального сечения расширительной газосмесительной камеры F=(1,22,0)·F максимальная площадь проходного круглого или овального сечения горла F=(1,52,5)·F  и F=(1,01,8)·F где F  - суммарная площадь проходных сечений впускных патрубков в плоскости фланца головки блока цилиндров, F - площадь проходного круглого, овального или многоугольного сечения проточной части блока каталитического нейтрализатора. Расширительная газосмесительная камера выполняет функцию ресивера, в котором происходит интенсивное перемешивание отработавших газов, поступающих по впускным патрубкам коллектора последовательно из выпускных каналов камер сгорания двигателя внутреннего сгорания, обеспечивая центрифугирование потоков отработавших газов вдоль внутренних стенок и выход через отверстие горла в приемную полость.
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.
Можно отметить, что положительные качества двух последних рассмотренных аналогов достигнуты существенным усложнением конструкции, увеличением ее массогабаритных показателей, а также наличием значительных потерь тепла при прохождении потока отработавших (выхлопных) газов от выпускного клапана до поверхности блока каталитического носителя.
В качестве прототипа выбрано устройство защищенное патентом №89626 U1 на полезную модель «Каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания», МПК F01N 3/28, опубликованным 10.12.2009. Каталитический коллектор содержит разветвленный проточный трубопровод, составленный из отдельных патрубков, число которых соответствует числу цилиндров ДВС, преимущественно рядного, четырех цилиндрового, присоединительный фланец крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС, к которому закреплены входные концы патрубков, сходящихся на выходе в полости общей газоприемной камеры, снабженной установочным элементом управляющего датчика кислорода и сопряженной с корпусом активного элемента каталитического носителя, выполненного в виде газопродуваемого моноблока, имеющего в поперечном сечении форму овала, на выходе которого образована газосмесительная камера, снабженная установочным элементом диагностического датчика содержания кислорода в составе отработавших газов ДВС и присоединительным фланцем крепления к остальным элементам системы выпуска отработавших газов ДВС, при этом конструкция устройства содержит также кронштейны крепления каталитического коллектора, смонтированные на корпусе каталитического носителя. Отличительной особенностью рассмотренной полезной модели является то, что патрубки проточного трубопровода выполнены в виде одногибовых труб, а полукорпуса газосмесительной камеры соединены между собой по периметру с образованием жестких фланцев (на чертеже к патенту они показаны поз.10), причем в коллектор, выполненный без кожуха, установлен каталитический носитель из керамики.
Из приведенного анализа эффективности конструкции, описанной выше следует, что имеются потенциальные возможности для ее дальнейшего совершенствования в отношении упрощения конструкции и технологии ее изготовления. Одновременно с этим, имеются резервы по повышению его основных функциональных характеристик, а частности нейтрализвции токсичных компонентов в составе отработавших газов ДВС, что необходимо для удовлетворения действующих на сегодняшний день в России (ГОСТ Р) и Международных экологических требований по токсичности и безопасности Евро-4 и Евро-5.
Решение технической задачи, согласно заявляемой полезной модели, предусматривает создание эффективной, конструктивно простой и одновременно с этим недорогой и компактной конструкции каталитического коллектора, что достигается путем целенаправленного совершенствования геометрических параметров конструкции разветвленного проточного трубопровода, с заданием соответствующей пространственной ориентации его отдельных газопроводящих патрубков.
Технический результат заключается в улучшении термических, акустических качеств устройства, при одновременной оптимизации массо-габаритных показателей и повышении ряда основных конструктивно-технологических характеристик каталитического коллектора.
Совокупность признаков заявляемой полезной модели каталитического коллектора системы выпуска отработавших газов ДВС, находящаяся в причинно-следственной взаимосвязи с достигаемым техническим результатом представлена в независимом пункте формулы полезной модели. Сущность полезной модели заключается в том, что в известном из прототипа каталитическом коллекторе системы выпуска отработавших газов ДВС, преимущественно рядного, четырехцилиндрового, содержащем разветвленный проточный трубопровод, изготовленный из отдельных одногибовых крайних и промежуточных газопроводящих патрубков, присоединительный фланец крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС, к которому закреплены входные концы названных газопроводящих патрубков, выходные концы которых сходятся в общей штампованной газоприемной камере, в стенках которой сформированы соответствующие газопроводящим патрубкам направляющие газовых потоков, установочный элемент управляющего датчика кислорода, смонтированный в зауженном сечении газоприемной камеры сопряженной с корпусом каталитического носителя, на выходе которого смонтирована газосмесительная камера, снабженная установочным элементом диагностического датчика кислорода, присоединительный фланец крепления каталитического коллектора к остальным элементам системы выпуска отработавших газов ДВС, отношение осевой длины «X» промежуточного газопроводящего патрубка к осевой длине «Y» крайнего газопроводящего патрубка находится в диапазоне X/Y=(0,75…0,85), газопроводящие патрубки проточного трубопровода выполнены в виде цельных трубчатых заготовок, радиусы гиба «R» и углы гиба «α» которых одинаковы, а отношение размера внутреннего диаметра «D» (проходного сечения) отдельного газопроводящего патрубка к радиусу «R» гиба находится в диапазоне D/R=(0,75…0,82), скругленные части газопроводящих патрубков сопряжены с их входными и выходными присоединительными концами посредством конических участков, при этом входные присоединительные концы газопроводящих патрубков выполнены зауженными по отношению к скругленной части соответствующего газопроводящего патрубка, а выходные присоединительные концы по отношению к скругленной части соответствующего газопроводящего патрубка выполнены расширенными.
При таком конструктивном исполнении разветвленного трубопровода собственные частоты колебаний газовых потоков (столбов), заключенных в трубчатых тупиковых волноводных элементах, представленных тремя закрытыми участками различной длины (закрытыми выпускными клапанами ДВС) отличаются от собственных частот колебаний газового потока, заключенного в трубчатом, открытом с обеих сторон (в полость цилиндра ДВС и полость газоприемной камеры, при открытом выпускном клапане ДВС) волноводном элементе, как при истечении газа по его крайнему газопроводящему патрубку, так и по промежуточному газопроводящему патрубку, что исключает процесс резонансного усиления акустической энергии, транспортируемой по газовому тракту системы выпуска отработавших газов. В конечном итоге это приведет к тому, что открытый концевой срез конечного (основного) глушителя шума системы выпуска отработавших газов будет излучать более низкие уровни шума, что благоприятно сточки зрения уменьшения акустического загрязнения окружающей среды.
вх
вых
Заужение входных присоединительных концов всех газопроводящих патрубков осуществлено посредством конического участка до величины D=(0,83…0,87)D, при этом осевая длина «L1» конического участка присоединительного конца составляет L1=(0,2…0,3)D, а расширение выходного присоединительного конца до величины D=(1,1…1,3)D осуществлено посредством конического участка осевая длина «L2» которого для крайних газопроводящих патрубков составляет L2=(1,4…1,6)D, а для промежуточных «L3» газопроводящих патрубков составляет «L3»=(0,3…0,5)D. Точки взаимно и попарно пересекающихся осей газовых потоков из крайних и смежных с ними промежуточных газопроводящих патрубков расположены симметрично относительно продольной оси газоприемной камеры.
При таком конструктивном исполнении достигается оптимальная компактность коллекторного узла каталитического коллектора, происходит взаимный подогрев смежных крайних и промежуточных газопроводящих патрубков, с соответственным уменьшением теплопередачи в окружающую среду.
Газоприемная камера с корпусом каталитического носителя могут быть представлены в виде единого штампованного конструктивного элемента. Это делает заявляемую конструкцию более технологичной в изготовлении, с соответствующим уменьшением затрат на производство.
Рассмотренные выше конструктивные изменения в заявляемом техническом решении, в сравнении с прототипом полезной модели, достигнуты методом интуитивно-логического анализа проблемы, с применением компьютерного моделирования, обозначенной представленным выше уровнем техники и сопоставительной аналитической работы по формированию новых конструктивных признаков с улучшенными конструктивно-технологическими приемами эмпирическим путем, а также в процессе практических и расчетных исследований опытных образцов устройства.
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 изображен заявляемый каталитический коллектор четырехцилиндрового, рядного ДВС.
На фиг.2 изображен отдельный крайний газопроводящий патрубок.
На фиг.3 изображен отдельный промежуточный газопроводящий патрубок.
На фиг.4 показан штампованный полукорпус газоприемной камеры с сформированными в его стенке направляющими газовых потоков (вид в плане), с наложенной на него схемой расположения осей направляющих газовых потоков газоприемной камеры.
На фиг.5 показан фрагмент сечения направляющих газовых потоков.
Каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов ДВС, в частности, рядного четырехцилиндрового, содержит разветвленный проточный трубопровод, изготовленный из отдельных одногибовых крайних 1 и 2, и промежуточных 3 и 4 газопроводящих патрубков, присоединительный фланец 5 крепления каталитического коллектора к корпусу ДВС (не показан), к которому закреплены входные концы 6 и 7 крайних газопроводящих патрубков 1 и 2, и входные концы 8 и 9 промежуточных патрубков 3 и 4. Выходные концы 10 и 11 крайних газопроводящих патрубков 1 и 2, и выходные концы 12 и 13 промежуточных газопроводящих патрубков 3 и 4 сходятся в общей штампованной газоприемной камере 14, в стенках которой сформированы (отштампованы) соответствующие газопроводящим патрубкам 1…4 направляющие 15…18 газовых потоков. По оси O-O газоприемной камеры, совпадающей с продольной осью каталитического коллектора, на верхней стенке газоприемной камеры 14 смонтирован установочный элемент 19 управляющего датчика кислорода. Газоприемная камера 14 сопряжена с корпусом 20 каталитического носителя (не показан), на выходе которого смонтирована газосмесительная камера 21, снабженная установочным элементом диагностического датчика кислорода 22 и присоединительным фланцем 23 крепления каталитического коллектора к остальным элементам системы выпуска отработавших газов ДВС. Как один из наиболее предпочтительных вариантов конструктивного исполнения, корпус 20 каталитического носителя и корпус газосмесительной камеры 21 выполнены в виде единого штампованного конструктивного элемента.
В заявляемой полезной модели отношение осевой длины «X» промежуточного газопроводящего патрубка 2 или 3 к осевой длине «Y» крайнего газопроводящего патрубка 1 или 4 находится в диапазоне X/Y=(0,75…0,85). Газопроводящие патрубки 1…4 проточного трубопровода выполнены в виде цельных трубчатых заготовок, радиусы гиба «R» и углы гиба «α» которых одинаковы, а отношение размера внутреннего диаметра «D» (проходного сечения) отдельного газопроводящего патрубка 1…4 к радиусу «R» гиба находится в диапазоне D/R=(0,75…0,82). Скругленные части 24…27 газопроводящих патрубков 1…4 сопряжены с их выходными присоединительными концами 10…13 посредством соответствующих конических участков 28…31, и с входными присоединительными концами 6…9 посредством соответствующих конических участков 32…35. При этом входные присоединительные концы 6…9 газопроводящих патрубков 1…4 выполнены зауженными по отношению к соответствующим скругленным частям 24…27 газопроводящих патрубков 1…4, а выходные присоединительные концы 10…13 по отношению к соответствующей скругленной части 24…27 соответствующего газопроводящего патрубка 1…4 выполнены расширенными.
вх
вых
Заужение входных присоединительных концов 6…9 всех газопроводящих патрубков 1…4 осуществлено посредством соответствующего конического участка 32…35 до величины внутреннего диаметра (проходного сечения) D=(0,83…0,87)D, при этом осевая длина «L1» конического участка присоединительного конца составляет L1=(0,2…0,3)D. Расширение выходных присоединительных концов 10…13 газопроводящих патрубков 1…4 до величины внутреннего диаметра (проходного сечения) D=(1,1…1,3)D осуществлено посредством соответствующего конического участка 28…31. При этом, осевая длина «L2» конического участка 28 или 31 для крайних газопроводящих патрубков 1 и 4 составляет L2=(1,4…1,6)D, а для промежуточных газопроводящих патрубков 2 и 3 осевая длина «L3» конического участка 29 и 30 составляет L3=(0,3…0,5)D.
Точки «А» и «В» взаимно и попарно пересекающихся осей газовых потоков из крайних 1 и 4 и смежных с ними промежуточных 2 и 3 газопроводящих патрубков расположены симметрично относительно продольной оси O-O газоприемной камеры 14.
Корпус газоприемной камеры 14 с корпусом 20 каталитического носителя выполнены в виде единого штампованного конструктивного элемента.
Работает каталитический коллектор системы выпуска отработавших газов ДВС, как и в выбранном прототипе, обычным для такого типа устройств образом. Отработавшие газы поступают из цилиндров ДВС (не показаны) по отдельным газопроводящим патрубкам 1…4 разветвленного проточного трубопровода в газоприемную камеру 14, проходят через моноблок каталитического носителя (например, керамический моноблок), где происходит очистка от токсичных веществ до необходимого уровня, и затем, через газосмесительную камеру 21 отводятся в систему выпуска отработавших газов и шумоглушения в атмосферу.
При осуществлении рабочего процесса в ДВС, в частности, в рядном, четырехцилиндровом, четырехтактном, работающим, например, в порядке реализации рабочих тактов по схеме 1-3-4-2, с тактами выпуска отработавших газов из цилиндров ДВС при открытии соответствующих выпускных клапанов, происходят процессы, сопровождающиеся не только неравномерным пульсирующим газовым потоком, истекающим из соответствующего цилиндра ДВС, но и распространяющимся акустическим излучением (гиперзвуком) по газоводным (волноводным) трубчатым и камерным элементам системы выпуска отработавших газов ДВС. Коллекторный (катколлекторный) узел системы выпуска отработавших газов представлен в заявляемом устройстве газопроводящими патрубками 1…4 (трубчатыми элементами), сообщающими полости выпускных каналов в структуре головки блока цилиндров с присоединенными участками газопроводящих патрубков 1…4 коллекторного узла, концы 10…13 газопроводящих патрубков которого подсоединены к полости газоприемной камеры 14. При осуществлении такта выпуска отработавших газов из одного из четырех цилиндров ДВС, происходящего при открытом выпускном клапане данного цилиндра, остальные три выпускные клапаны остаются закрытыми. В результате, соответствующий выпускной канал - газопроводящий патрубок, рассматривается как труба открытая с двух сторон (в полость цилиндра ДВС и в полость газоприемной камеры 14), в то время, как каналы -газопроводящие патрубки оставшихся трех цилиндров с закрытыми выпускными клапанами рассматриваются как трубы открытые с одной стороны (со стороны газоприемной камеры 14). Как известно, трубы открытые с двух сторон и трубы открытые с одной стороны, как газодинамические элементы (полости, заполненные газовой средой) характеризуются собственными частотами колебаний столбов газа, заполняющих полости этих труб. Собственные частоты колебаний трубы (газового столба, заключенного в полости газопроводящего патрубка) открытой с двух сторон
co
дин
f=k·c/2ℓ,Гц, (1)
где: k=ℓ, 2, 3…,с - скорость звука, м/с.
дин
ℓ=ℓ+Δ2 - осевая длина газопроводящего патрубка с учетом динамического приращения, м.
Δ - динамическое приращение (динамическое удлинение геометрической длины «ℓ» газопроводящего патрубка) за счет присоединенной колеблющейся массы газа на одном открытом его конце, и равное ~ 0,3Dвх/вых (Dвx/вых - соответствующий диаметр проходного сечения входных концов 6…9 и выходных концов 10…13 газопроводящих патрубков 1…4), м. Поскольку газопроводящий патрубок открыт с обоих концов, то общее динамическое удлинение его геометрического размера составляет 2Δ.
с - скорость звука в среде газа с температурой t=800°C просчитывается по формуле
+800
с°c=20,1, и в данном случае равняется 658 м/с.
Собственные частоты колебаний трубы (газового столба, заключенного в полости газопроводящего патрубка) закрытой с одного конца (тупикового волновода, закрытого со стороны ДВС тарелкой выпускного клапана), с учетом соответствующего динамического приращения ее геометрической длины со стороны открытого конца
сз
дин
f=k·c/4ℓ, Гц, (2)
где: k=l, 3, 5…,с- скорость звука, м/с.
Таким образом, при вариантах открытого и закрытого выпускного клапана соответствующего цилиндра ДВС частоты собственных колебаний (и их кратные гармоники) газового столба в газопроводящих патрубках будут изменяться в соответствии с выражениями (1) и (2).
дин
co
сз
При конструктивных вариантах исполнения различных по величине геометрических (ℓ) и, соответственно, динамических (ℓ) длин газопроводящих патрубков 1…4 в составе каталитического коллектора, при работе ДВС будет возбуждаться достаточно широкий спектр собственных частот колебаний. Это, соответствующим образом, может усилить уровень акустического излучения генерируемого системой газопроводящих патрубков, вследствие совпадения значений частот собственных колебаний f и f (кратных их гармоник) и их последующим резонансным взаимодействием.
Что бы избежать такого типа резонансных акустических совпадений и возникающих усиленных шумовых излучений, производимых системой выпуска отработавших газов ДВС, как показали проведенные расчетные исследования, необходимо, что бы взаимные соотношения динамических длин наиболее коротких из всех четырех газопроводящих патрубков к наиболее длинным газопроводящим патрубкам находились в диапазоне 0,45…0,75. В таком случае исключаются нежелательные резонансные совпадения и, соответственно, усиление излучения звука коллекторным узлом (разветвленным проточным трубопроводом) каталитического коллектора, что приводит к уменьшению уровня шума выпуска отработавших газов, за счет достаточной степени рассогласования (несовпадения) значений собственных частот колебаний.
В заявляемой полезной модели геометрия газопроводящих патрубок выполнена в полном соответствии с приведенными выше расчетами, что позволило не только наделить конструкцию более высокими акустическими качествами и повышенным эффектом заглушения шумовой энергии, генерируемой ДВС в процессе выпуска им отработавших газов, но и оптимизировать массо-габаритные показатели каталитического коллектора, спроектировав его более компактным.
При осуществлении рабочего процесса в ДВС в порядке реализации рабочих тактов по схеме 1-3-4-2, поочередно срабатывают 2-ой - 1-ый цилиндры и 3-ий - 4-ый цилиндры. То есть, например, выпуск отработавшего газа происходит по промежуточному газопроводящему патрубку 3, и вслед за этим - по крайнему газопроводящему патрубку 1. При этом часть тепла от стенок промежуточного газопроводящего патрубка 3 передается на стенки крайнего газопроводящего патрубка 1. Таким образом происходит взаимный «подогрев» названных патрубков, что позволяет направить в газосмесительную камеру 14 более высокотемпературный поток отработавших газов. Аналогичный процесс происходит и при выпуске отработавших газов через газопроводящие патрубки 2 и 4.
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-4 и Евро-5, снизить загрязнение воздуха в населенных пунктах токсичными компонентами отработавших газов автотранспортных средств, силовой агрегат которых выполнен на базе ДВС. Предлагаемое техническое решение имеет простую конструкцию, небольшие габариты и материалоемкость, надежно в эксплуатации 8 клапанных ДВС при высоких температурах отработавших газов.
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.