Устройство отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания

Изобретение относится к областям судостроения и тепловозостроения, в частности, к устройствам отвода и охлаждения выхлопных газов из стационарных двигателей судов и тепловозов.

В качестве прототипа, на основе просмотра и анализа технической литературы и патентов по МПК F01N 13/10, F01P 3/18, F01N 13/18, F02B 37/07, F02B 37/18, F01N 3/20, F01N 3/28, принято изобретение "Способ отвода выхлопных газов двигателя плавсредства и устройство для его осуществления" - патент RU №2501960 от 20.12.2013 с приоритетом 27 января 2012 г., МПК F01N 13/10 (2010.01), F01P 3/18 (2006.01).

По данному изобретению устройство отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания содержит коллектор, рубашку охлаждения с впускным и выпускным отверстиями для пропуска забортной воды, расширительную камеру и акустические зеркала, выходной патрубок, а акустические зеркала размещены в коллекторе взаимно перпендикулярно, выхлопной патрубок выполнен в виде колена направленного вверх относительно коллектора, рубашка охлаждения выполнена по всему контуру образующей коллектора и выхлопного патрубка, при этом конец выходного патрубка выступает за контур рубашки охлаждения, а отверстие для отвода воды из рубашки охлаждения размещено за коленом выходного патрубка в верхней части контура рубашки или его торцевой части.

Признаки известного устройства отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, совпадающие с признаками заявляемого изобретения, заключаются в наличии коллектора, включающего выходную часть, выполненную в виде колена, направленного вверх относительно оси коллектора и имеющего концевую часть, и содержащее также часть системы охлаждения с впускными и выпускными отверстиями для пропуска воды,

Причина, препятствующая получению в известном техническом решении технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением, состоит в том, что технические средства известного устройства отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания не позволяют обеспечить высокие производственно-экономические и эксплуатационно-технические характеристики устройства и самого двигателя: простоту изготовления и обслуживания, надежность и ресурс работы, ремонтопригодность устройства и эффективность работы двигателя.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении производственно-экономических и эксплуатационно-технических характеристик устройства отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и самого двигателя.

Технический результат, обеспечивающий решение указанной задачи, состоит в создании технических средств, позволяющих повысить производственно-экономические и эксплуатационно-технические характеристики устройства отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и самого двигателя, а именно, простоту изготовления и обслуживания, надежность и ресурс работы, ремонтопригодность устройства и эффективность работы двигателя.

Достигается технический результат тем, что в устройстве отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, содержащем коллектор, включающий выходную часть, выполненную в виде колена, направленного вверх относительно оси коллектора и имеющего концевую часть, и содержащее также часть системы охлаждения с впускными и выпускными отверстиями для пропуска воды, коллектор выполнен в виде набора отдельных секций, каждая из которых представляет собой входной патрубок с фланцем крепления к головке блока цилиндров двигателя, при этом между секциями размещены компенсаторные устройства, каждое из которых включает в себя сильфон, присоединенный с двух сторон кольцевыми хомутами к отдельным секциям коллектора, а выходная часть коллектора содержит компенсаторное устройство, расположенное перед его концевой частью, снабженной выходным фланцем, и включающее в себя сильфон с двумя кольцевыми хомутами для закрепления его в составе выходной части коллектора, при этом коллектор по всей длине выполнен из жаропрочных материалов, имеющих температурную стойкость до 1000°С, а часть системы охлаждения для пропуска воды представляет собой трубу, состоящую из трех соединенных между собой участков, два из которых - прямолинейные, а третий - коленообразный, при этом все впускные отверстия воды находятся на этих двух прямолинейных участках и, каждое из них расположено напротив соответствующего входного патрубка с фланцем, в котором выполнено отверстие для отвода воды из головки блока цилиндров двигателя, при этом между отверстием отвода воды и впускным отверстием воды расположен патрубок из эластичного материала.

Достигается технический результат также и тем, что при сборке устройства отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и присоединении к головке блока цилиндров двигателя использованы стандартные крепежные элементы (метизы).

Достигается технический результат еще и тем, что при сборке фланцевых соединений устройства отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания использованы прокладки на основе графита, например, прокладки уплотнительные из терморасширенного графита.

Достигается технический результат дополнительно и тем, что все детали и сборочные единицы (ДСЕ) устройства отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания, кроме части системы охлаждения, входящей в его состав, экранированы от свободного доступа эксплуатирующего персонала теплоизолирующими чехлами.

Достигается технический результат помимо сказанного и тем, что все детали и сборочные единицы (ДСЕ), входящие в его состав промаркированы по единой уникальной маркировочной системе, предотвращающей попадание на сборку устройства контрафактных и (или) отработавших свой ресурс ДСЕ.

Описанные выше созданные технические средства в составе заявляемого устройства отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания позволяют осуществить следующее.

Во-первых, созданные технические средства позволяет существенно повысить простоту изготовления и обслуживания устройства за счет того, что конструкция не монолитная, не сложная по своей конфигурации, не крупногабаритная, а состоит из отдельных секций простой формы в составе коллектора с его выходной частью, что позволяет их изготовление осуществлять на малогабаритном, на стандартном (не специализированном) оборудовании, набор которого в технологической цепочке не велик по номенклатуре входящих в него единиц. И при наличии отклонений в производственно-технологическом процессе изготовления устройства, состоящего из отдельных, легко заменяемых при сборке секций, потери от отбраковки будут намного меньше, чем при производстве монолитного, крупногабаритного устройства. При обслуживании многосекционного устройства в эксплуатации (при монтаже на двигателе, демонтаже, дефектации, сборке-разборке, контрольных операциях, дефектации и т.п.) многосекционность также обеспечивает простоту, качество и минимальность временных и финансовых затрат.

Повышение простоты изготовления и обслуживания устройства, в частности, монтажа - демонтажа, обеспечивается еще и тем, что при его сборке и присоединении к головкам цилиндров двигателя использованы стандартные крепежные элементы (метизы), так как при заявляемом техническом решении отпадает необходимость в специализированных (демпфирующих) болтах, предназначенных для восприятия на себя нагрузок от вибрации и теплорасширения.

Повышение простоты изготовления и обслуживания устройства, в частности, монтажа - демонтажа, обеспечивается также и тем, что все сборочные единицы и детали (ДСЕ), кроме части системы охлаждения, входящей в его состав, экранированы от свободного доступа эксплуатирующего персонала теплоизолирующими чехлами, а это создает условия безопасной работы при обслуживании устройства.

Во-вторых, созданные технические средства позволяет существенно повысить надежность и ресурс работы рассматриваемого устройства за счет того, что названные выше отдельные секции коллектора соединены между собой не жестко, а через компенсаторные устройства, каждое из которых включает в себя сильфон, присоединенный с двух сторон кольцевыми хомутами к отдельным секциям, каждая из которых представляет собой входной патрубок с фланцем крепления к головке цилиндра двигателя. При нагреве всех названных элементов во время работы двигателя тепловые расширения не приводят к их деформации, перекосам, разгерметизации стыковых (фланцевых) соединений. А естественные при работе двигателя вибрационные нагрузки на все составляющие части рассматриваемого устройства не приводят к негативным последствиям (трещинообразованию, разгерметизации, разрушению), поскольку каждая секция в составе коллектора с его выходной частью не имеет жесткого контакта (соединения) с соседней, а разделена сильфоном, что и обеспечивает преимущество перед монолитной (цельной), крупногабаритной, массивной конструкцией коллектора и всего устройства отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания.

Повышение надежности и ресурса работы рассматриваемого устройства обеспечивается еще и тем, что при сборке фланцевых соединений использованы прокладки на основе графита, например, прокладки уплотнительные из терморасширенного графита, что позволяет сохранить герметичность соединений при высоких температурах.

Повышение надежности и ресурса работы рассматриваемого устройства обеспечивается также и тем, что все сборочные единицы и детали (ДСЕ), входящие в его состав промаркированы по единой уникальной маркировочной системе, предотвращающей попадание на сборку устройства контрафактных и (или) отработавших свой ресурс ДСЕ. Один из вариантов осуществления такой маркировки - цифровой код на деталях, изменяемый по заранее установленному на предприятии правилу, которое тоже, в свою очередь, может меняться по ходу времени конфиденциально.

В-третьих, созданные технические средства позволяет существенно повысить ремонтопригодность устройства за счет того, что его конструкция не монолитная, не крупногабаритная, не массивная, а состоит из отдельных малогабаритных и не массивных секций простой формы в составе коллектора с его выходной частью, что позволяет легко изымать эти секции и части из состава коллектора при ремонтных работах и дефектации, и заменять их другими кондиционными сборочными единицами, не затрачивая при этом ни времени, ни физического труда на демонтаж-монтаж (отсоединение -присоединение) соседних секций и частей.

В-четвертых, созданные технические средства позволяет существенно повысить эффективность работы двигателя за счет того, что коллектор по всей длине выполнен из жаропрочных материалов, имеющих температурную стойкость до 1000°С, а часть системы охлаждения для пропуска воды представляет собой трубу, состоящую из трех соединенных между собой участков, два из которых - прямолинейные, а третий - коленообразный, при этом все впускные отверстия воды находятся на этих двух прямолинейных участках и, каждое из них расположено напротив соответствующего входного патрубка с фланцем, в котором выполнено отверстие для отвода воды из головки цилиндров двигателя, при этом между отверстием отвода воды и впускным отверстием воды расположен патрубок из эластичного материала.

Сказанное выше в целом обеспечивает сохранение энергозапаса потока выхлопных газов из головки цилиндров двигателя перед входом их в турбокомпрессор, так как теплосъема с этого потока в коллекторе не происходит (на нем нет охлаждающей водяной рубашки). Турбокомпрессор работает более эффективно (с большей мощностью), а значит, и весь двигатель в целом, при этом вся система охлаждения двигателя имеет меньший водозаполняемый объем и меньшее гидросопротивление, что дает дополнительное снижение энергонагрузки на турбокомпрессор, а это также дает повышение эффективности работы двигателя.

Повышение эффективности работы двигателя обеспечивается также и за счет того, что все сборочные единицы и детали (ДСЕ), кроме части системы охлаждения, входящей в его состав, экранированы от свободного доступа эксплуатирующего персонала теплоизолирующими чехлами, что. помимо сказанного, позволяет сохранить энергозапас потока выхлопных газов перед их входом в турбокомпрессор.

Новые признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что коллектор выполнен в виде набора отдельных секций, каждая из которых представляет собой входной патрубок с фланцем крепления к головке цилиндров двигателя, при этом между секциями размещены компенсаторные устройства, каждое из которых включает в себя сильфон, присоединенный с двух сторон кольцевыми хомутами к отдельным секциям коллектора, а выходная часть коллектора содержит компенсаторное устройство, расположенное перед его концевой частью, снабженной выходным фланцем, и включающее в себя сильфон с двумя кольцевыми хомутами для закрепления его в составе выходной части коллектора, при этом коллектор по всей длине выполнен из жаропрочных материалов, имеющих температурную стойкость до 1000°С, а часть системы охлаждения для пропуска воды представляет собой трубу, состоящую из трех соединенных между собой участков, два из которых - прямолинейные, а третий - коленообразный, при этом все впускные отверстия воды находятся на этих двух прямолинейных участках и, каждое из них расположено напротив соответствующего входного патрубка с фланцем, в котором выполнено отверстие для отвода воды из головки цилиндров двигателя, при этом между отверстием отвода воды и впускным отверстием воды расположен патрубок из эластичного материала.

При этом, в устройстве отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания как вариант:

- при его сборке и присоединении к головкам цилиндров двигателя использованы стандартные крепежные элементы (метизы).

- при сборке фланцевых соединений использованы прокладки на основе графита, например, прокладки уплотнительные из терморасширенного графита.

- все сборочные единицы и детали (ДСЕ), кроме части системы охлаждения, входящей в его состав, экранированы от свободного доступа эксплуатирующего персонала теплоизолирующими чехлами.

- все сборочные единицы и детали (ДСЕ), входящие в его состав промаркированы по единой уникальной маркировочной системе, предотвращающей попадание на сборку устройства контрафактных и (или) отработавших свой ресурс ДСЕ.

Изобретение иллюстрируется рисунком (фиг. 1), на котором представлено устройство отвода выхлопных газов, содержащее коллектор 1 и часть системы охлаждения 2 двигателя внутреннего сгорания, а также разрез А-А и вид В.

Коллектор 1 включает выходную часть 3, выполненную в виде колена 4, направленного вверх относительно оси коллектора и имеющего концевую часть 5. Коллектор 1 выполнен в виде набора отдельных секций 6, каждая из которых представляет собой входной патрубок с фланцем 7 крепления к головке блока цилиндров двигателя, при этом между секциями 6 размещены компенсаторные устройства, каждое из которых включает в себя сильфон 8, присоединенный с двух сторон кольцевыми хомутами 9 к отдельным секциям 6 коллектора 1, а выходная часть 3 коллектора 1 содержит компенсаторное устройство, расположенное перед его концевой частью 5, снабженной выходным фланцем 10, и включающее в себя сильфон 11 с двумя кольцевыми хомутами 12 для закрепления его (компенсаторного устройства) в составе выходной части 3, при этом коллектор по всей длине выполнен из жаропрочных материалов, имеющих температурную стойкость до 1000°С.

Часть системы охлаждения 2 для пропуска воды представляет собой трубу, состоящую из трех соединенных между собой участков, два из которых - прямолинейные 13, а третий - коленообразный 14, при этом все впускные отверстия воды 15 (разрез А) находятся на этих двух прямолинейных участках 13 и, каждое из них расположено напротив соответствующего входного патрубка с фланцем 7, в котором выполнено отверстие для отвода воды 16 из головки цилиндров двигателя, при этом между отверстием отвода воды 16 и впускным отверстием воды 15 расположен патрубок 17 из эластичного материала. Патрубок 17 из эластичного материала, расположенный между отверстием отвода воды 16 на фланце 7 входного патрубка и впускным отверстием воды 15 прямолинейного участка 13 трубы, закреплен на них (позиции 7 и 13) кольцевыми хомутами 18. Выпускные отверстия воды 19 (вид В) находятся на фланцах 20 коленообразного участке 14 части системы охлаждения 2.

Коллектор 1 и часть системы охлаждения 2 соединены кронштейнами 21 с возможностью продольного перемещения относительно друг друга при тепловых нагрузках на них, отличающихся по температуре, например, вода до 100°С, а выхлопные газы свыше ~700°С.

Описанное и проиллюстрированное выше заявляемое изобретение "Устройство отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания" работает следующим образом.

Выхлопные газы из головки блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания, например, дизельного двигателя, поступают в устройство отвода выхлопных газов, а именно, в коллектор 1, состоящий из набора отдельных секций 6, через фланцы 7 входных патрубков. Далее выхлопные газы проходят в выходную часть 3 через его колено 4, через сильфон 11 компенсаторного устройства и концевую часть 5 с выходным фланцем 10 и поступают на вход турбокомпрессора.

При этом вода из системы охлаждения двигателя внутреннего сгорания, а именно, из головки блока цилиндров поступает в прямолинейные участки 13 трубы части системы охлаждения 2 через отверстия для отвода воды 16 во фланцах 7, по патрубкам 17 из эластичного материала к впускным отверстиям воды 15, и далее вода по прямолинейным участкам 13 движется к коленообразному участку 14, после чего через фланцы 18 перетекает в другую часть системы охлаждения двигателя.

Заявляемое изобретение, проиллюстрированное рисунком (фиг. 1) с описанным порядком его работы, подтверждает наличие его преимуществ, названных выше, перед прототипом.

Таким образом, техническое решение, составляющее предмет заявляемого изобретения "Устройство отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания ", обеспечивает получение технического результата, а именно, простоту изготовления и обслуживания, надежность и ресурс работы, ремонтопригодность устройства и эффективность работы двигателя, а значит, и выполнение задачи, на решение которой направлено заявляемое изобретение, а именно, повышение производственно-экономических и эксплуатационно-технических характеристик устройства отвода выхлопных газов двигателя внутреннего сгорания и самого двигателя.