Выпускной коллектор для двигателя внутреннего сгорания
Полезная модель относится к машиностроению, в частности двигателестроению и имеет отношение к конструкции элементов системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС). Выпускной коллектор для ДВС содержит 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, например, сваркой. Фланцы могут быть снабжены кронштейнами крепления термозащитного экрана. 1 н. и 1 з.п. п. ф-лы, 15 ил.
Полезная модель относится к машиностроению, а именно двигателестроению и имеет отношение к конструкции элементов системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС), в состав которой, для выполнения жестких норм по токсичности, входит подпольный каталитический нейтрализатор.
Предшествующий созданию заявляемой полезной модели уровень техники включает следующую патентную информацию.
Известен выпускной коллектор ДВС автомобиля ВАЗ-2108, В.А.Вершигора и др. "Автомобиль ВАЗ-2108", М., ЖОСААФ СССР, 1986, с.27, который представляет собой литую массивную деталь из чугуна. Выпускной коллектор имеет присоединительные фланцы крепления, с одной стороны - к головке цилиндров двигателя, а с другой - к приемной трубе тракта выпуска отработавших газов. В процессе работы ДВС коллектор подвергается значительному температурному воздействию со стороны выхлопных клапанов ДВС.
Аналогичные конструкции выпускных коллекторов описаны в патентах США №5347810, МПК5 F01N 7/10, 1994, №5069036, МПК5 F01N 7/10, 1991, заявке ЕПВ (ЕР) 0049459, F02F 11/00, 1982.
Общим недостатком описанных выше устройств является их значительная металлоемкость и теплоемкость, т.е. в процессе работы ДВС их массивная чугунная структура забирает значительное количество тепла, которое необходимо в том случае, когда в трассе выхлопной системы предусмотрена установка каталитического нейтрализатора, что вызвано современными повышенными требованиями по предельно допустимому содержанию в отработавших газах ДВС вредных компонентов (продуктов неполного сгорания рабочей смеси).
Известны технические решения, позволяющие уменьшить теплоемкость описанных конструкций коллекторов, см., например, заявку
Японии №63-215809, МКИ4 F01N 7/10, 1988. Здесь во внутренней основной части коллектора, с образованием зазора относительно внутренних стенок коллектора, установлена тонкостенная труба. Но такой технический прием значительно усложняет конструкцию коллектора.
В современных конструкциях ДВС, в трассе выпуска которых предусмотрены каталитические нейтрализаторы, нашли широкое применение выпускные коллекторы облегченной конструкции, штампованные из тонкого жаропрочного металлического листа, с приварными присоединительными фланцами, РСТ (WO) 90/06207, МКИ5 В23К 31/02, 1990; США №4656830, МКИ4 F01N 3/18, 1987; Франция №2644207, МКИ5 F01N 7/10, 1990; ФРГ №4200611, МКИ5 F01N 7/10, 1993; ЕПВ (ЕР) 0623739, МКИ5 F01N 7/10, 1994.
Применение таких выпускных коллекторов, в сочетании с каталитическими нейтрализаторами различного типа, позволяет обеспечить выполнение жестких международных требований по токсичности Евро-3 и Евро-4. Технические трудности, которые возникают при изготовлении описанных коллекторов заключаются, в первую очередь в том, что необходимо соблюсти оптимальные с точки зрения гидравлических сопротивлений геометрические параметры - радиусы гиба отдельных труб, длины отдельных труб, их конкретное расположение в стесненном пространстве моторного отсека и ряд других параметров. Поэтому, как правило, каждая из отдельных труб коллектора изготавливается путем сварки отдельных составляющих трубу элементов. При этом разъемы могут быть как продольными, заявка Японии №3-63644, МКИ5 F01N 7/10, 1991, (штампованные из двух половин), так и поперечными, ФРГ №3720714, МКИ4 F01N 7/14, 1989 (когда каждая из труб сваривается из отдельных заранее формообразованных патрубков). Либо в законченной конструкции коллектора применены одновременно оба названных выше приема, Франция №2727466, МПК6 F01N 7/10, 1996.
Анализ уровня техники по России дал следующие результаты.
Известен выпускной коллектор для ДВС легковых автомобилей, преимущественно семейства ВАЗ, свидетельство на полезную модель №10783, МПК6 F01N 7/10, опубликовано 16.08.1999, содержащий две проточные трубы, верхние концы которых соединены с выпускными отверстиями цилиндров ДВС, а нижние соединены с коллекторными элементами, нижние концы которых закреплены на нижнем фланце и через его отверстия сообщаются с выпускными трубопроводами. Проточные трубы состоят из патрубков, скрепленных между собой сваркой, верхние концы которых соединены с вышеупомянутыми выпускными отверстиями ДВС через отверстия во фланцах, на которых закреплены патрубки, при этом верхние концы патрубков первой проточной трубы закреплены на боковых соединительных фланцах и сообщены через отверстия с отверстиями первого и четвертого цилиндров ДВС, а верхние концы патрубков второй проточной трубы закреплены на среднем соединительном фланце и сообщены через его отверстия с отверстиями второго и третьего цилиндров ДВС, причем вышеупомянутые коллекторные элементы выполнены в форме тройника, а оба патрубка второй проточной трубы соединены между собой по линии контакта наиболее удаленной от цилиндров части стенки посредством сварки. Патрубки обеих проточных труб выполнены из жаропрочного листового материала, а фланцы выполнены из обычной углеродистой стали, например СТ-20.
Известен выпускной коллектор для ДВС легковых автомобилей, преимущественно семейства ВАЗ, свидетельство на полезную модель №14975, МПК7 F01N 7/10, опубликовано 10.09.2000, содержащий две проточные трубы, одна из которых состоит из патрубков, соединенных между собой посредством сварки, верхние концы которых закреплены на верхних боковых впускных соединительных фланцах и сообщены через отверстия в них с отверстиями первого и четвертого цилиндров ДВС, при этом верхние концы другой проточной трубы закреплены на верхнем среднем впускном соединительном фланце и соединены через отверстия в нем с отверстиями второго и третьего цилиндров ДВС, а нижние концы проточных труб соединены с коллекторными элементами.
нижние концы которых закреплены на нижнем выпускном фланце и через его отверстия сообщены с выпускными отверстиями трубопровода системы очистки газов, причем коллекторный элемент выполнен в форме тройника, при этом проточные трубы выполнены из жаропрочного листового материала. Одна из проточных труб и коллекторный элемент выполнены как одно целое в форме тройника, два конца которого закреплены на названных верхних впускных фланцах, а третий конец трубопровода соединен с упомянутым нижним выпускным фланцем. Верхние впускные фланцы и нижний выпускной фланец выполнены не менее чем из двух пластин, причем, например, нижняя пластина нижнего выпускного фланца соединена с нижними концами коллекторных элементов сваркой, а верхние пластины нижнего выпускного фланца, по крайней мере не менее одной, выполнены накладными, с возможностью их соединения с его нижней пластиной, посредством сварки.
Известен выпускной коллектор для ДВС легковых автомобилей, преимущественно семейства ВАЗ, свидетельство на полезную модель №27409, МПК7 F01N 7/10, опубликовано 27.01.2003, содержащий две проточные трубы, один конец которых закреплен на одном верхнем фланце и соединен с выпускными отверстиями цилиндров ДВС, а нижние, по крайней мере по два, соединены с коллекторными элементами, нижние концы которых закреплены на нижнем фланце и через его отверстия сообщаются с выпускными трубопроводами. Данный выпускной коллектор снабжен компенсирующими элементами температурных деформаций, смонтированными на проточных трубах. Компенсирующий элемент температурных деформаций может быть выполнен в виде зиговки, сварных чашек, имеющих диаметр больше диаметра проточной трубы, либо в виде сильфона.
Известен выпускной коллектор для ДВС, свидетельство на полезную модель №30856, МПК7 F01N 7/10, опубликовано 10.07.2003, содержащий по крайней мере 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, по крайней мере одного фланца, а нижние концы труб закреплены на нижнем выпускном фланце и через его отверстия сообщены с выпускными трубопроводами системы очистки газов, причем трубы выполнены из жаропрочного листового материала, отличающийся тем, что каждый из отдельных патрубков выполнен из цельного отрезка тонкостенной жаропрочной трубы, при этом радиусы гиба патрубков первого и четвертого цилиндров составляют 1,8-2,2 диаметра патрубка в месте его гиба, а патрубки второго и третьего цилиндров выполнены прямолинейными.
Известен выпускной коллектор для ДВС, свидетельство на полезную модель №30857, МПК7 F01N 7/10, опубликовано 10.07.2003, содержащий по крайней мере две проточные трубы, одна из которых образована сходящимися на выходе патрубками первого и четвертого цилиндров ДВС, а другая образована сходящимся на выходе газоприемным тройником второго и третьего цилиндров, верхние концы которых соединены с впускными отверстиями ДВС через отверстия, по крайней мере одного фланца, а нижние концы труб и газоприемного тройника закреплены на нижнем выпускном фланце и через его отверстия сообщены с выпускными трубопроводами системы очистки газов, причем трубы выполнены из жаропрочного листового материала, отличающийся тем, что патрубки первого и четвертого цилиндров выполнены из цельного отрезка тонкостенной жаропрочной трубы, при этом радиусы гиба патрубков первого и четвертого цилиндров составляют 1,4-1,6 диаметра патрубка в месте его гиба и каждый из радиусов гиба расположен в одной плоскости, при этом нижний выпускной фланец представляет собой вырубную деталь из жаропрочного металлического материала.
Известен выпускной коллектор для ДВС, свидетельство на полезную модель №30858, МПК7 F01N 7/10, опубликовано 10.07.2003, содержащий по крайней мере 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, по крайней мере одного фланца, а нижние концы труб закреплены на нижнем выпускной фланце и через его отверстия сообщены с выпускными трубопроводами системы очистки газов, причем трубы выполнены из жаропрочного листового материала, отличающийся тем, что каждый из отдельных патрубков выполнен из цельного отрезка тонкостенной жаропрочной трубы, при этом радиусы гиба всех патрубков одинаковые и каждый из радиусов гиба лежит в одной плоскости, а величина радиуса гиба составляет 1,4-1,6 наружного диаметра патрубка в месте гиба.
Известен выпускной коллектор для ДВС легковых автомобилей, полезная модель России №14974, МПК7 F01N 7/10, публ. в БИПМ №25, от 10.09.2000, который содержит по крайней мере две проточные трубы, состоящие например из патрубков, скрепленных между собой сваркой, верхние концы которых соединены с впускными отверстиями ДВС через отверстия, по крайней мере одного фланца, а нижние концы патрубков, по крайней мере по два, соединены с коллекторными элементами, нижние концы которых закреплены на нижнем выпускной фланце и через его отверстия сообщены с выпускными трубопроводами системы очистки газов, причем упомянутые патрубки обеих проточных труб выполнены из жаропрочного листового материала. Коллекторные элементы выполнены в виде воронок, при этом верхние концы обеих проточных труб закреплены на цельном впускном фланце. Нижний выпускной фланец выполнен из тонколистового материала, преимущественно из жаропрочной стали, с отбортовкой по его краям и отверстиям и вваренными бабышками в местах расположения крепежных отверстий.
К недостаткам рассмотренного выпускного коллектора, как показала практика его эксплуатации на отдельных моделях автомобилей ВАЗ, следует отнести то, что изготовление отдельных труб коллектора из отдельных патрубков, которые в свою очередь сварены из нескольких коротких или прямолинейных отрезков труб, с последующей их сваркой,
приводит к неоптимальным геометрическим параметрам коллектора в целом, что увеличивает гидравлические сопротивления в выпускном тракте ДВС, снижает его мощность и крутящий момент. В частности, в прототипе патрубок первого цилиндра сварен из двух изогнутых отрезков труб, патрубки второго и третьего цилиндров сварены из двух отрезков труб, а патрубок четвертого цилиндра сварен из четырех отрезков труб, два из которых прямолинейные, а два - криволинейные, загнутые по радиусу. Следует отметить и то, что смешение потоков выпускных газов от крайних и средних цилиндров ДВС осуществляется уже за нижним выпускным фланцем, для чего в систему выпуска отработавших газов необходимо введение дополнительного элемента - газосмесительной камеры, а это существенно увеличивает осевые размеры трассы системы выпуска и увеличивает ее материалоемкость (вес конструкции). Кроме того, входные окна (отверстия) в присоединительном к корпусу ДВС фланце имеют круглое сечение, как и примыкающие к фланцу стенки входных участков патрубков проточных труб, а именно в этом месте необходимо учитывать процессы формирования гидравлических сопротивлений, сводя их, по возможности, к минимуму.
Технический результат, который достигается заявляемой полезной моделью, заключается в повышении акустических качеств системы выпуска отработавших газов, снижении гидравлических сопротивлений в тракте системы выпуска отработавших газов, уменьшении ее осевых габаритов и материалоемкости, увеличении на повышенных оборотах эффективной мощности ДВС, а также, как дополнительный технический результат, придании выпускному коллектору дополнительных функций.
Для достижения указанного технического результата, в известном выпускном коллекторе предлагается оптимизировать форму сечения входных окон во фланце крепления коллектора к корпусу ДВС, выполнить отдельные патрубки цельными и минимальной длины и образовать в составе конструкции коллектора общую для всех патрубков газосмесительную камеру. Дополнительно предлагается ввести в
конструкцию обоих фланцев средства крепления к выпускному коллектору термозащитного экрана.
Сущность полезной модели заключается в том, что в известном выпускном коллекторе для двигателя внутреннего сгорания, содержащем присоединительный фланец крепления коллектора к корпусу двигателя внутреннего сгорания 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, например, сваркой.
Фланцы заявляемого коллектора могут быть снабжены кронштейнами крепления термозащитного экрана.
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 которых показана схема заявляемого выпускного коллектора и его отдельных составляющих элементов.
На фиг.1-5 изображен заявляемый выпускной коллектор с выделением отдельных элементов его конструкции;
На фиг.6 и 7 показан присоединительный фланец крепления коллектора к корпусу ДВС;
На фиг.8 и 9 показан фланец крепления коллектора к трассе выпуска отработавших газов;
На фиг.10-12 представлена конструкция одного из выпускных патрубков;
На фиг.13-15 показана конструкция нижнего полукорпуса газосмесительной камеры (верхний полукорпус имеет зеркальное изображение).
Выпускной коллекторе содержит присоединительный фланец 1 крепления коллектора к корпусу ДВС (не показан) и фланец 2 крепления коллектора к трассе (не показана) выпуска отработавших газов. В окнах 3-6 присоединительного фланца 1 смонтированы отдельные выпускные патрубки 7-10, выполненные из жаропрочного листового материала. Каждый из отдельных патрубков 7, 8, 9 и 10 выполнен из цельного отрезка тонкостенной жаропрочной трубы. Окна 3-6 присоединительного фланца и размещенная в них присоединительная часть 11-14 выпускных патрубков 7-10 имеют сечение в виде продолговатых отверстий с скругленными боковыми торцами,
сопряженными прямолинейными участками. Присоединительная часть 11-14 каждого из патрубков 7-10 сопрягается с его цилиндрической частью посредством диффузорного участка 15. Выходные концы 16-19 всех выпускных патрубков 7-10 сходятся в общей газосмесительной камере 20, на выходе которой смонтирован присоединительный фланец 2 с общим выпускным отверстием 21, при этом газосмесительная камера 20 образована двумя симметричными, отштампованными из жаропрочного листового материала полукорпусами 22 и 23, скрепленными между собой, а также с выходными концами патрубков и присоединительным фланцем неразъемно, например, сваркой.
Фланцы 1 и 2 снабжены кронштейнами 24-26 крепления термозащитного экрана (не показан).
Работает устройство обычным образом.
На такте выпуска отработавших газов из цилиндров ДВС, когда выпускной клапан открыт, горячие отработавшие газы вытесняются в выпускной коллектор, далее поступают, например, в подпольный каталитический нейтрализатор, просачиваются через его активное вещество и в достаточной мере очищенные от вредных веществ поступают в глушитель (глушители если в тракте выпуска их несколько), теряют при этом часть звуковой энергии, после чего выводятся в атмосферу.
В предлагаемом выпускном коллекторе 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. Такой технический прием позволяет компенсировать возможные погрешности при установке коллектора на корпусе ДВС, обеспечить более ламинарный вход отработавших газов в патрубки, компенсировать температурные и вибрационные нагрузки на систему выпуска транспортного средства, поскольку диффузорные
участки патрубков выполняют дополнительно и функцию термокомпенсаторов. Выходные концы всех выпускных патрубков сходятся в общей газосмесительной камере, полость которой имеет значительный объем, то есть фактически выполняет функцию ресивера, который выполняет разобщающее (разделяющее) действие возбужденных воздушных объемов в отдельных патрубках и ослабляет их волновое влияние, что приводит к уменьшению гидравлического сопротивления на резонансных режимах и уменьшает работу по продавливанию отработавшего газа, а это в свою очередь повышает коэффициент наполнения цилиндров ДВС. Размещение в коллекторе общей смесительной камеры для всех четырех патрубков позволяет уменьшить длину патрубков, а это не только упрощает их конструкцию, но и приводит к повышению эффективного крутящего момента ДВС на высоких оборотах. Одновременно с этим улучшаются массо-габаритные показатели системы выпуска отработавших газов в целом.
Помимо своей основной функции, заявляемый выпускной коллектор выполняет еще и функция установочного элемента для термозащитного экрана (на чертежах не показан), защищающего днище кузова, обработанное как правило, антикоррозионной мастикой от его перегрева, для чего фланцы снабжены кронштейнами крепления термозащитного экрана.
Использование заявленного технического решения позволяет создать недорогую и компактную конструкцию эффективного выпускного коллектора, повысить конкурентоспособность отечественных автомобилей за счет соответствия их экологической безопасности мировым стандартам, снизить загрязнение воздуха в населенных пунктах токсичными компонентами отработавших газов автотранспортных средств, силовой агрегат которых выполнен на базе ДВС.
1. Выпускной коллектор для двигателя внутреннего сгорания, содержащий присоединительный фланец крепления коллектора к корпусу двигателя внутреннего сгорания и фланец крепления коллектора к трассе выпуска отработавших газов, при этом в окнах присоединительного фланца смонтированы отдельные выпускные патрубки, выполненные из жаропрочного листового материала, отличающийся тем, что 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, например, сваркой.
2. Выпускной коллектор по п.1, отличающийся тем, что фланцы снабжены кронштейнами крепления термозащитнго экрана.
