Трубопровод для выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания

 

Использование: в области двигателестроения и, в частности, в трубопроводах для выхлопных газов. Сущность изобретения: теплоноситель катализатора и/или фильтр дизельной сажи размещены во втором отрезке трубопровода для выхлопных газов, который примыкает с перегибом примерно под прямым углом к первому отрезку. С помощью особой формы выполнения соединяющего оба отрезка промежуточного тела выхлопной газ протекает по винтовой линии, что приводит к наклонному обтеканию тела. Таким образом нагрузка тела по его поперечному сечению выравнивается и задерживается появление ламинарного потока в его каналах так, что газ может лучше реагировать с катализатором. Кроме того достигается при необходимости поддержание за счет выполнения особой структуры поверхности звукоизолирующее действие, которое позволяет экономить собственно глушители. Возникающая в целом в трубопроводе потеря давления таким образом сводится к минимуму. 4 ил.

Изобретение касается трубопровода для выхлопных газов, выполненного из нескольких отрезков, проходящего с перегибом под углом, предпочтительно порядка 90^o, в котором первый отрезок соединен через первое промежуточное тело со вторым отрезком большего диаметра и непосредственно вниз по течению от первого промежуточного тела расположено своей торцевой стороной набегающего потока сотовое тело [1] Трубопроводы для выхлопных газов двигателей внутреннего сгорания автомобилей вследствие малых отношений внутренней длины в базе должны проходить часто с изгибом, при необходимости многократным, для того, чтобы обойти другие детали, или вся выхлопная система должна размещаться под автомобилем. В местах перегиба возникают повышенные потери давления. Точно так же к потерям давления приводит почти всегда необходимое расположение глушителей, в которых снижение рабочих шумов достигается за счет многократных отклонений и/или отражений звуковых волн.

Для снижения выпуска вредных веществ двигателя внутреннего сгорания (в случае двигателя внутреннего сгорания с принудительным зажиганием, в частности, окиси углерода и угарных газов, а в случае дизельных двигателей в противоположность этому в первую очередь сажи) в трубопроводы для выхлопных газов размещают изготовленные в возрастающей степени из металла или керамики, сотовые тела, которые действуют благодаря нанесенному на них каталитическому покрытию или в качестве фильтров. Эффективность каталитического покрытия ухудшается за счет того, что поток выхлопных газов в, по необходимости, длинных по отношению к их поперечному сечению каналах сотового тела становится через короткое время ламинарным. Частички газа, которые находятся в середине пронизывающей канал элементарной струйки, таким образом возможно больше не входят в контакт с каталитическим покрытием. Для устранения этого недостатка уже было предложено предусматривать перед телом-носителем катализатора устройства, которые обеспечивают лучшее завихрение. Этот эффект частично проявляется также в выше упомянутой выложенной заявке. Чтобы удерживать потерю давления в пределах обычно при наличии каталитической системы принято отказываться от обычных предглушителей, разумеется при соответственно уменьшенной звукоизоляции.

Как показали испытания, расположение тела-носителя катализатора или соответственно фильтра дизельной сажи в отрезке трубопровода провода для выхлопных газов с увеличенным поперечным сечением также при наличии имеющего форму усеченного конуса, действующего в качестве диффузора промежуточного тела приводит к неравномерному по поперечному сечению обтеканию сотового тела. В частности его краевые части нагружаются слабее и являются поэтому менее эффективными.

В основе изобретения лежит задача такого выполнения проходящего с перегибом трубопровода для выхлопных газов, чтобы повышалась обтекаемость расположенного в нем тела-носителя катализатора или соответственно фильтра дизельной сажи. Неизбежно происходящее при этом отклонение газового потока может одновременно использоваться для подавления шума так, что упомянутый отказ от отдельного приглушителя может быть полностью скомпенсирован. За счет этого может быть уменьшена общая появляющаяся в трубопроводе для выхлопных газов потеря давления. В дальнейшем лучшее исполнение каталитической или соответственно фильтрующей способности должно достигаться за счет того, что обтекание по поперечному сечению выравнивается или даже переносится на внешние области.

Эта задача решается с помощью выполненного из нескольких отрезков трубопровода для выхлопных газов, проходящего с перегибом под углом, в котором первый отрезок соединен через первое промежуточное тело со вторым отрезком большего диаметра и непосредственно вниз по течению от первого промежуточного тела расположено своей торцевой поверхностью со стороны набегающего потока сотовое тело, причем первое промежуточное тело сформировано так, что выхлопной газ при приближении к торцевой поверхности вынужден течь по винтовой линии и/или по спирали, и причем кривизна и шаг винтовой линии или соответственно спирали выбраны так, чтобы уже отклоненный газ не встречался или встречался в совсем незначительной степени с вновь вытекающим в первое промежуточное тело выхлопным газом.

Если первое промежуточное тело внутри имеет контур приближающегося к торцевой поверхности и разрезанного в направлении к ней отрезка трубчатого винта и/или отрезка трубчатой спирали, то газ, вытекающий в промежуточное тело, распределяется равномерно по торцевой поверхности сотового тела. Вместо простого более или менее прямоугольного отклонения потока выхлопного газа он направляется в определенном движении по винтовой линии под углом относительно проходящего в аксиальном направлении, разделяющих отдельные каналы тела друг от друга стенок. За счет этого достигается повышенное завихрение потока выхлопного газа в каналах так, что начало ламинаризации в каналах сдвигается. Распространяющиеся в потоке выхлопного газа звуковые волны при этом подавляются кроме того за счет многократного отражения на стенках.

Относительно соотношения диаметров первого и второго отрезка оказалось, что первый отрезок должен иметь от половины до трех четвертей диаметра второго отрезка, причем особенно благоприятные соотношения получаются, если диаметр первого отрезка составляет порядка половины диаметра второго отрезка. В этом случае, как еще поясняется с помощью представленного на чертеже примера выполнения, могут достигаться особенно благоприятные условия.

Предпочтительно первое промежуточное тело должно иметь примерно контур тесно прилегающих друг к другу трубчатых витков и направлять выхлопной газ внутри или ниже витка в винтовой линии полностью к торцевой поверхности. При этом следует запомнить, что контур промежуточного тела в зависимости от соотношения размеров диаметров первого и второго отрезка может принимать форму винтовой линии, форму спирали или шнека или смеси из этих форм, причем однако в каждом случае направляющая течение выхлопного газа стенка в ходе своей кривизны все больше приближается к торцевой поверхности сотового тела.

Эксперты подтвердили целесообразность таких форм первого промежуточного тела, которые обеспечивают попадание потока выхлопного газа на торцевую поверхность сотового тела под углом от 30^o до 60^o.

Оказалось также благоприятным, если первый отрезок впадает в первое промежуточное тело приблизительно тангенциально, так как таким образом выхлопной газ втекает в промежуточное тело эксцентрично и с минимальной потерей давления.

В случае, если трубопровод для выхлопных газов имеет за вторым отрезком следующее место перегиба, является естественно целесообразным выполнять его с помощью второго промежуточного тела подобно первому месту перегиба. При таком расположении сотовое тело может встраиваться поперек направления движения автомобиля.

Для случая, когда сотовое тело является телом-носителем катализатора для обезвреживания выхлопных газов, оно может быть предпочтительно выполнено из множества структурированных слоев листового металла.

В связи с настоящим изобретением подобные тела для улучшения глушения звука могут быть изменены таким образом, что часть металлических листов со стороны набегающего потока торцевой поверхности тела-носителя катализатора выступает за другие листы. Наряду с повышением звукоизолирующего действия таким образом достигается также улучшение турбулентности течения в каналах.

Насколько листы металлического сотового тела проходят внутри сотового тела наружу в общем, например, по эвольвенте или примерно по окружности, может оказывать влияние на свойства устройства таким образом, что можно выбирать заданное выхлопному газу первым промежуточным телом направление вращения таким же или противоположным относительно преимущественно имеющейся кривизны листов. Совпадающее направление вращения может уменьшать потерю давления устройства, в то время как противоположное направление вращения может давать более существенную звукоизоляцию.

Следующее улучшение звукоизолирующего действия может достигаться за счет того, что, по меньшей мере, часть металлических листов снабжена отверстиями, через которые сообщаются друг с другом соседние образованные между ними каналы. Так как распространяющиеся в различных каналах звуковые волны являются сдвинутыми по фазе относительно друг друга, следует считаться с тем, что звуковые волны частично взаимно гасят друг друга за счет наложения в представленных отверстиями местах соединения. Для случая, когда сотовое тело является фильтром дизельной сажи, некоторые образующие соты перегородок могут также выступать за другие перегородки на торцевой поверхности со стороны набегающего потока, за счет чего также и здесь достигается благоприятные звукоизолирующие свойства.

Дополнительное повышение звукоподавляющего действия может быть достигнуто в устройстве согласно изобретения за счет того, что первое и/или второе промежуточное тело на внутренней стороне имеет структуру поверхности, которая имеет звукодиспергирующее действие. Это может достигаться, например, за счет утолщений или подобных вставок.

Пример выполнения изобретения представлен на чертежах, которые показывают: Фиг. 1 вид сверху (частично в разрезе) трубопровода для выхлопных газов соответственно направлению I фиг.2; Фиг.2 вид сверху соответственно направлению II фигуры 1;и Фиг. 3 и 4 два альтернативных выполнения поперечного сечения соответственно линиям III-III или соответственно IV-IV фиг.1.

На чертеже представлено особенно экономичное с точки зрения использования пространства расположение двойного трубопровода для выхлопных газов, причем каждый трубопровод для выхлопных газов содержит первый отрезок 1, второй отрезок 2 с увеличенным поперечным сечением и третий отрезок 3, которые соединены друг с другом подходящим, не представленным здесь образом, например, болтовым соединением, а именно с промежуточным включением первого промежуточного тела 4 или соответственно второго промежуточного тела 5. Первые отрезки 1 входят в первые промежуточные тела 4 эксцентрично, также эксцентрично расположены третьи отрезки 3 на вторых промежуточных телах 5. Промежуточные тела 4, 5 выполнены изнутри сами примерно в соответствии с контуром трубчатой винтовой линии, трубчатой спирали или трубчатого шнека или комбинации этих форм, причем специалист подгоняет в деталях форму к существующим обстоятельствам, например, к разнице диаметров между первым или соответственно третьим 1, 3 или соответственно вторым отрезком 2, точно так же на форму промежуточных тел 4, 5 оказывает влияние, если отклонение между отдельными отрезками, как представлено на фиг. 1 слева сверху или справа снизу, происходит не точно под прямым углом. Особенно предпочтительным является, если диаметр первого или соответственно третьего отрезка 1, 3 составляет примерно от половины до трех четвертей диаметра второго отрезка 2, причем эксцентричность первого относительно последнего выбирается таким образом, что она имеет место только на одной стороне продольной оси, и при необходимости тогда обязательное не представленное здесь выступание промежуточных тел 4, 5 должно быть согласовано благоприятным для течения образом с диаметром второго отрезка 2. Важным является, чтобы поток выхлопных газов за счет первого промежуточного тела 4 был вынужден совершать движение по винтовой линии и/или спирали в направлении торцевой поверхности следующего сотового тела. Внутри второго отрезка 2 расположены тело-носитель катализатора 6 и/или фильтр дизельной сажи 7. При этом в большинстве случаев достаточно расположение только одного тела одного вида. Возможным является также устройство с обратным расположением, то есть с фильтром дизельной сажи 7 в направлении течения перед телом-носителем катализатора 6. Сотовое тело может быть выполнено из керамики. В данном случае однако было принято, что речь идет о теле-носителе катализатора, которое состоит из отдельных структурированных, попеременно гладких и гофрированных листов, которые, например, изогнуты по окружности или проходят изнутри наружу в виде эвольвенты. Они снабжены покрытием, которое превращает присутствующие в выхлопном газе окись кислорода в углекислый газ и угарные газы в азот и кислород. Для того, чтобы возможно дольше задержать появление ламинарного течения в сравнительно длинных по сравнению с их поперечным сечением, образованных листами 61 каналах 62, отдельные металлические листы (здесь каждый второй) выступают на их передней стороне за остальные листы. Это приводит в соединение с обусловленным вторым промежуточным телом 4 движением по винтовой линии, (показанным стрелкой), к лучшему завихрению потока выхлопных газов. Происходящее под углом обтекание металлических листов вызывает кроме того то, что вызванные не показанным здесь двигателем внутреннего сгорания звуковые волны (штриховые линии) многократно отражаются на листах так, что достигается уже существенное снижение уровня шума. За счет этого расположенный дальше по ходу трубопровода для выхлопных газов также не показанный здесь глушитель может быть упрощен, таким образом уменьшается вызванная им потеря давления. Таким образом опять же компенсируется вызванная отклонением газового потока и, в частности, наклонным обтеканием листов 61 дополнительная потеря давления. Дальнейшее повышение этого звукоизолирующего действия может быть достигнуто за счет того, что первое промежуточное тело 4 на своей внутренней стороне снабжено поверхностной структурой, которая оказывает звукодиспергирующее действие. В примере обозначены утолщения 41 и перфорированный, расположенный с зазором относительно стенки двойной лист 42. Такие же средства могут быть разумеется использованы также и во втором промежуточном теле. По меньшей мере часть листов 61 снабжена отверстиями 63, с помощью которых могут налагаться проходящие в одном определенном из каналов 62 звуковые волны с волнами, распространяющимися в соседних каналах, а именно предпочтительно так, что они взаимно гасятся. Экспериментальным путем можно подобрать самое подходящее расположение отверстий 63 по величине, количеству, взаимному расстоянию и т. д. Расположенный во втором отрезке 2 фильтр дизельной сажи 7 предпочтительно выполнен в виде керамического сотового тела, в котором перегородки 71 образуют между собой каналы 72. Отдельные каналы 72 закрыты попеременно при рассмотрении в направлении течения на своих передних и задних концах заглушками 73 так, что выхлопной газ вынужден проходить через пористые перегородки 71, за счет чего удерживаются приносимые им частицы сажи.

Как показано на фиг. 3 и 4, направление вращения изогнутых или проходящих примерно по эвольвенте попеременно гладких и гофрированных листов 61 может быть выбрано различным, если предположить одинаковое направление обтекания выхлопным газом (обозначенное стрелкой). В выполнении в соответствии с фиг. 3 металлические листы 61 обтекаются преимущественно в поперечном направлении. За счет этого достигается повышение шумопонижающее действие, так как звуковые волны многократно отражаются между листами 61. В противоположность этому в устройстве согласно фиг. 4 листы обтекаются преимущественно в направлении их кривизны так, что их сопротивление потоку является минимальным. Более того можно видеть, что в случае устройства согласно фиг. 3 поток выхлопных газов предпочтительно отклоняется к центру, а в случае устройства согласно фиг. 4 наоборот прежде всего в краевые зоны. Это воздействие различного направления вращения может иметь значение в связи с желаемым выравниванием обтекания по перечному сечению.

Формула изобретения

1. Трубопровод для выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащий по меньшей мере одну центральную секцию, расположенные под углом 90° к ней впускную и выпускную секции, сотовое тело, размещенное в центральной секции, выполненной с диаметром, превышающим диаметр выпускной секции, подключенной к центральной через первый патрубок, отличающийся тем, что внутренняя поверхность первого патрубка выполнена в направлении потока газа в виде части трубчатого винта и/или трубчатой спирали.

2. Трубопровод по п. 1, отличающийся тем, что витки части трубчатого винта и/или трубчатой спирали расположены вплотную один к другому.

3. Трубопровод по п. 1 и 2, отличающийся тем, что первая секция выполнена с диаметром, составляющим от половины до трех четвертей диаметра второй секции, предпочтительно половину.

4. Трубопровод по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что внутренняя поверхность первого патрубка расположена под углом, составляющим 30 60° относительно торцевой поверхности сотового тела.

5. Трубопровод по пп.1 3, отличающийся тем, что впускная секция размещена тангенциально относительно первого патрубка.

6. Трубопровод по пп. 1 4, отличающийся тем, что он снабжен вторым патрубком, размещенным между центральной и выпускной секциями и выполненным подобно первому патрубку.

7. Трубопровод по пп. 1 6, отличающийся тем, что сотовое тело выполнено в виде носителя-катализатора для обезвреживания выхлопных газов.

8. Трубопровод по п. 7, отличающийся тем, что сотовое тело носитель катализатора образовано набором структурированных листов.

9. Трубопровод по п. 8, отличающийся тем, что листы носителя-катализатора со стороны впускной секции выполнены с различной длиной.

10. Трубопровод по пп. 8 и 9, отличающийся тем, что листы носителя-катализатора уложены в форме окружности или эвольвенты навстречу потоку выхлопных газов.

11. Трубопровод по п. 8, отличающийся тем, что листы носителя-катализатора уложены в форме окружности или эвольвенты в направлении, противоположном направлению потока выхлопных газов.

12. Трубопровод по пп. 8 11, отличающийся тем, что в части листов выполнены отверстия.

13. Трубопровод по пп. 1 6, отличающийся тем, что сотовое тело выполнено в виде фильтрующего элемента.

14. Трубопровод по п. 13, отличающийся тем, что фильтрующий элемент выполнен из сотовой керамики с перегородками, образующими соты, причем часть перегородок со стороны впускной секции выполнена с длиной, превышающей длину остальных перегородок.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4