Патент на изобретение №2184857
|
||||||||||||||||||||||||||
(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЧИСТКИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ ДВИГАТЕЛЯ
(57) Реферат: 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. 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. Формула изобретения
РИСУНКИ
|
||||||||||||||||||||||||||
