УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ Российский патент 2002 года по МПК F01N3/10 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в выхлопных системах двигателей.

Известен каталитический нейтрализатор отработавших газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий сильфон и элемент, выполненный с возможностью обеспечения термической каталитической нейтрализации газов [1].

В этом техническом решении устройство содержит корпус с торцевыми стенками, входным и выходным патрубком и установленный в корпусе цилиндрический реактор с внутренней и наружной решетками и размещенным между ними гранулированным катализатором. Сильфон размещен внутри внутренней решетки реактора с образованием в ней кольцевого зазора. Сильфон жестко связан с торцовыми стенками корпуса и снабжен внутренней трубой с наружным теплоизоляционным покрытием. Один конец трубы жестко связан с торцевой стенкой корпуса со стороны его выходного патрубка и выполнен с впускными окнами. Другой конец трубы выполнен с коническим срезом, вершина которого направлена внутрь. Торцевая стенка корпуса со стороны его входного патрубка снабжена коническим выступом с образованием зазора между последним и коническим срезом трубы. Это торцевая стенка выполнена с выпускными окнами, расположенными между коническим выступом и сильфоном.

Ограничением этого устройства является использование гранулированного катализатора, что ухудшает ремонтопригодность конструкции и замену катализатора, а также сложность конструкции в целом.

Известна система выхлопа энергетической установки, преимущественно двигателя внутреннего сгорания, содержащая подключенный к цилиндрам двигателя, по меньшей мере, один из элементов, приемную трубу или выхлопной коллектор, термический каталитический нейтрализатор, при этом кожухи элементов снабжены термокомпенсаторами, размещенными в их стенках [2].

В этом техническом решении кожухи ваккумированы, что усложняет конструкцию и ухудшает ее ремонтопригодность.

Наиболее близким является устройство для очистки выхлопных газов двигателя, содержащее сильфон, выполненный с входным и выходным патрубками, элемент, выполненный цилиндрическим и расположенный внутри сильфона с возможностью обеспечения термической каталитической нейтрализации газов [3].

В этом техническом решении элемент для термической каталитической нейтрализации газов имеет коаксиально расположенные трубы, выполненные из тонкого металлического листа, между которыми продольно размещены гофрированные листы, обеспечивающие нейтрализацию газов и образующие "сотовую" структуру, чтобы осуществить разделение выхлопного газа на множество потоков и, тем самым, осуществить более эффективную нейтрализацию. Края наружной трубы закреплены на входном и выходном патрубках сильфона. Внутренняя поверхность гофр сильфона непосредственно контактирует с трубой большего диаметра элемента нейтрализатора. Сильфон способен аксиально сжиматься и расширяться, чтобы при изменении температуры следовать за изменением линейных размеров элемента. В другом варианте выполнения конструкции элемент нейтрализатора выполнен из двух частей, разделенных аксиальным зазором, и края этих частей соединены соответственно с входным и выходным патрубками сильфона.

Ограничениями этого устройства являются: оно служит только для компенсации изменений линейных размеров элемента вдоль его продольной оси и не может служить для компенсации вибраций, передаваемых от двигателя всей выхлопной системе, т.к. края элемента закреплены на входном и выходном патрубке; отсутствует возможность компенсации радиальных и тангенциальных составляющих вибрационных колебаний, поскольку у сильфона в этой конструкции отсутствует возможность осуществлять смещение по радиусу и по окружности (мешает внутренняя труба большого диаметра, расположенная встык с внутренней поверхностью гребня сильфона), а в случае изготовления элемента нейтрализатора из двух частей в кручении и в смещении по радиусу может участвовать лишь небольшое количество гофр, расположенных над аксиальным зазором отдельных частей элемента; устройство не может быть подсоединено непосредственно к выходному коллектору двигателя, поскольку наружная труба элемента непосредственно контактирует с гребнем сильфона, что при высоких температурах приводит к уменьшению срока службы и прогоранию гофр сильфона; за счет контакта наружной трубы катализатора непосредственно с гребнем сильфона при тангенциальных и радиальных вибрациях происходит соударение элемента с сильфоном на различных частотах, что ухудшает шумовые характеристики; конструкция неремонтопригодная, т.к. нельзя осуществить замену элемента нейтрализатора при потере им способности к термической каталитической реакции с выхлопными газами.

Решаемая изобретением задача - обеспечение возможности компенсации вибраций, передаваемых от двигателя всей системе выпуска отработавших газов, повышение качества и надежности устройства, улучшение технико-эксплуатационных характеристик при его функционировании в условиях высоких температур, а также осевой, радиальной и тангенциальной неустойчивости.

Технический результат, который может быть получен при выполнении устройства, - повышение долговечности и снижение шумовых характеристик, обеспечение ремонтопригодности.

Для решения поставленной задачи в устройстве для очистки выхлопных газов двигателя, содержащем сильфон, выполненный с входным и выходным патрубками, элемент, выполненный цилиндрическим и расположенный внутри сильфона с возможностью обеспечения термической каталитической нейтрализации газов, согласно изобретению введен цилиндрический экран, который установлен соосно внутри сильфона с зазором и соединен консольно с входным патрубком сильфона, наружная поверхность элемента вплотную сопряжена с внутренней поверхностью цилиндрического экрана с возможностью перемещения элемента вдоль продольной оси.

Возможны дополнительные варианты выполнения устройства, в которых целесообразно, чтобы:
- был введен упор упомянутого элемента, установленный поперечно на цилиндрическом экране;
- часть элемента была расположена внутри входного патрубка сильфона;
- часть элемента была выполнена выступающей из входного патрубка сильфона;
- сильфон был выполнен с, по меньшей мере, одной широкой гофрой, выпуклые поверхности и вогнутые поверхности гофр сильфона были выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей, отношение радиуса выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу выпуклой поверхности узкой гофры было выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, а отношение радиуса вогнутой поверхности между широкой гофрой и узкой гофрой к радиусу вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне от 1,0 до 2,2.

Указанные преимущества, а также особенности настоящего изобретения поясняются лучшими вариантами его выполнения со ссылками на прилагаемые фигуры.

Фиг.1 изображает заявленное устройство;
фиг.2 - то же, что фиг.1 с элементом, выступающим за входной патрубок.

Устройство для очистки выхлопных газов двигателя (фиг.1, 2) содержит сильфон 1, выполненный с входным и выходным патрубками 2 и 3, соответственно. Элемент 4 выполнен цилиндрическим, расположен внутри сильфона 1 с возможностью обеспечения термической каталитической нейтрализации газов. Введен цилиндрический экран 5, который установлен соосно внутри сильфона 1 с зазором и соединен консольно с входным патрубком 2 сильфона 1. Наружная поверхность элемента 4 вплотную сопряжена с внутренней поверхностью цилиндрического экрана 5 с возможностью перемещения элемента 4 вдоль продольной оси.

Устройство может быть снабжено упором 6 элемента 4, установленным поперечно на цилиндрическом экране 5.

Часть элемента 4 может быть расположена внутри входного патрубка 2 сильфона 1 (фиг.1).

Кроме того, часть элемента 4 может быть выполнена выступающей из входного патрубка 2 сильфона 1 (фиг.2),
Сильфон 1 может быть выполнен с, по меньшей мере, одной широкой гофрой 7. Выпуклые поверхности и вогнутые поверхности гофр сильфона 1 выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей. Отношение радиуса выпуклой поверхности широкой гофры 7 к радиусу выпуклой поверхности узкой гофры 8 выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5. Отношение радиуса вогнутой поверхности между широкой гофрой 7 и узкой гофрой 8 к радиусу вогнутой поверхности между узкими гофрами 8 выбрано в диапазоне от 1,0 до 2,2.

Устройство (фиг.1, 2) работает следующим образом.

Вибрации от работающего двигателя и прерывистый поток горячих газов воздействуют через входной патрубок 2 на цилиндрический экран 5 и элемент 4. Проходя через элемент 4, (который может быть выполнен из уровня техники любым известным образом) над выхлопными газами осуществляются окислительно-восстановительные реакции, протекающие в каталитическом нейтрализаторе. При этом происходит эффективная нейтрализация всех трех основных токсичных компонентов окиси азота, углеводородов и окиси углерода. Передаваемые от двигателя колебания имеют осевые, радиальные и тангенциальные составляющие вибрации. Поскольку цилиндрический экран 5, который установлен соосно внутри сильфона 1 с зазором и соединен консольно с входным патрубком 2 сильфона 1, то основным элементом для гашения вибраций является сильфон 1. Торец цилиндрического экрана 5 не связан с выходным патрубком 3, а наружная поверхность элемента 4 хотя и вплотную сопряжена с внутренней поверхностью цилиндрического экрана 5, чтобы исключить протечку газов, но в тоже время с возможностью перемещения элемента 4 вдоль продольной оси, например, по скользящей посадке. Поэтому вибрации, воспринимаемые непосредственно элементом 4, передаются не сильфону 1, а только цилиндрическому экрану 5.

Сильфон 1 участвует в гашении вибрационных составляющих. При гашении осевых составляющих его гофры 7, 8 расширяются и сжимаются, для радиальных составляющих, смещающих выходной патрубок 3 относительно входного патрубка 2 в поперечном направлении, гофры 7, 8 работают на прогиб, а для тангенциальных составляющих - на круговой изгиб. Зазор между цилиндрическим экраном 5 и его консольное крепление к входному патрубку 2 осуществляет развязку колебаний, испытываемых элементом 4, цилиндрическим экраном 5 и сильфоном 1, позволяя эффективно гасить эти колебания за счет подвижности гофр 7, 8 сильфона 1. Цилиндрический экран 5, кроме того, выполняет функцию термокомпенсатора, и часть тепла проходящих газов рассевается элементом 4 и отражается цилиндрическим экраном 5, что позволяет эксплуатировать сильфон 1 в области высоких температур и подсоединять устройство непосредственно к выходному коллектору двигателя. Так как цилиндрический экран 5 установлен с зазором относительно сильфона 1, то улучшаются шумовые характеристики работы устройства. Подсоединение же устройства к выходному коллектору двигателя позволяет осуществить развязку от вибраций всех последующих трубопроводов системы выхлопа. Поскольку элемент 4 установлен с возможностью перемещения вдоль продольной оси сильфона, например по скользящей посадке, то при выходе из строя (или при потере им способности к термической каталитической реакции с выхлопными газами) легко и быстро осуществляется его замена.

Для исключения смещения элемента 4 под действием вибраций или выхлопными газами введен упор 6, установленный поперечно на цилиндрическом экране 5.

Часть элемента 4 без ущерба к гашению вибраций может быть расположена внутри входного патрубка 2 сильфона 1 (фиг.1) или даже выведена за габариты устройства (фиг. 2), Элемент 4 может быть выполнен выступающим из входного патрубка 2. Это позволяет легко осуществить его замену при необходимости и увеличивает полезный объем элемента 4 для нейтрализации газов.

Сильфон 1 может быть выполнен с, по меньшей мере, одной широкой гофрой 7, выпуклые поверхности и вогнутые поверхности гофр сильфона выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей. Отношение радиуса выпуклой поверхности широкой гофры 7 к радиусу выпуклой поверхности узкой гофры 8 выбрано в диапазоне от 1,5 до 2,5, Отношение радиуса вогнутой поверхности между широкой гофрой 7 и узкой гофрой 8 к радиусу вогнутой поверхности между узкими гофрами 8 выбрано в диапазоне от 1,0 до 2,2.

Как показали испытания, подобная геометрия узких гофр 8 и широкой гофры 7 изменила характер нагрузки на узкие гофры 7 и в целом на сильфон 1 независимо от длины и диаметра сильфона 1, а также места расположение широкой гофры 7. Увеличилась устойчивость сильфона 1, нагруженного внутренним давлением и осевым усилием. Узкие гофры 8 (фиг.1, 2), расположенные от широкой гофры 7 слева или справа, стали работать с симметричным распределением нагрузки и с одинаковой величиной хода независимо от других геометрических размеров гофр, их количества и симметрии расположения. Выполнение выпуклых поверхностей и вогнутых поверхностей узких гофр 8 и широких гофр 7 в продольном сечении сильфона 1 в виде полуокружностей позволяет уменьшить концентрацию напряжений в вершинах гребня упомянутых гофр. При различных сочетаниях давления и осевой силы (или заданного хода) цикл напряжений распределяется равномерно по всем гофрам, уменьшая критические напряжения в отдельных точках и увеличивая время наработки сильфона 1 на отказ. Сам сильфон 1 приобретает улучшенные эксплуатационные характеристики и становится долговечней.

Наиболее успешно заявленное устройство для очистки выхлопных газов двигателя промышленно применимо в автомобилестроении, однако оно может быть успешно использовано и в других системах для транспортировки и очистки газов.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 1687822, F 01 N 3/10, опубл. 1991 г.

2. Патент Российской Федерации 2043511, F 01 N 7/14, опубл. 1995 г.

3. Патент США 5346675, F 01 N 3/10, опубл. 1994 г.

Изобретение относится к машиностроению и используется в выхлопных системах двигателей. Сильфон выполнен с входным и выходным патрубками и внутри его расположен элемент для очистки - термической каталитической нейтрализации выхлопных газов. Введен цилиндрический экран, который установлен соосно внутри сильфона с зазором и соединен с входным патрубком сильфона. Наружная поверхность элемента вплотную сопряжена с внутренней поверхностью цилиндрического экрана с возможностью перемещения вдоль продольной оси. Повышает долговечность и ремонтопригодность устройства. 4 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для очистки выхлопных газов двигателя, содержащее сильфон, выполненный с входным и выходным патрубками, элемент, выполненный цилиндрическим и расположенный внутри сильфона с возможностью обеспечения термической каталитической нейтрализации газов, отличающееся тем, что введен цилиндрический экран, который установлен соосно внутри сильфона с зазором и соединен консольно с входным патрубком сильфона, наружная поверхность элемента вплотную сопряжена с внутренней поверхностью цилиндрического экрана с возможностью перемещения элемента вдоль продольной оси. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что введен упор упомянутого элемента, установленный поперечно на цилиндрическом экране. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что часть элемента расположена внутри входного патрубка сильфона. 4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что часть элемента выполнена выступающей из входного патрубка сильфона. 5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сильфон выполнен с, по меньшей мере, одной широкой гофрой, выпуклые поверхности и вогнутые поверхности гофр сильфона выполнены в продольном сечении в виде полуокружностей, отношение радиуса выпуклой поверхности широкой гофры к радиусу выпуклой поверхности узкой гофры выбрано в диапазоне 1,5 - 2,5, а отношение радиуса вогнутой поверхности между широкой гофрой и узкой гофрой к радиусу вогнутой поверхности между узкими гофрами - в диапазоне 1,0 - 2,2.