RU2242621C2 - Welded manifold of internal combustion engine - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering; internal combustion engines.

SUBSTANCE: invention can be used in exhaust systems of internal combustion engines. Proposed welded manifold contains connecting flanges connected by several pipes of different length. Pipes are manufactured of materials with different linear expansion coefficients. Longer pipes are made of material with smaller linear expansion coefficient, and shorter pipes, of material with larger linear expansion coefficient. Pipes are made up o separate branch pipes made of solid cut of thin-walled heat-resistant tube. Radii of bend of branch pipes of longer pipe are from 1.8 to 2.2 of diameter of branch pipe in place of bending.

EFFECT: provision of nonexpensive and compact exhaust manifold reliable in operation.

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности двигателестроению и имеет отношение к конструкции элементов системы выпуска отработавших газов двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС).The invention relates to mechanical engineering, in particular engine manufacturing and is related to the design of the elements of the exhaust system of the exhaust gas of an internal combustion engine (hereinafter ICE).

Известен выпускной коллектор ДВС автомобиля ВАЗ-2108 (В.А.Вершигора и др. "Автомобиль ВАЗ-2108" - М.: ДОСААФ 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.A known exhaust manifold of the internal combustion engine of a VAZ-2108 car (V.A. Vershigora and others. "VAZ-2108 car" - M .: DOSAAF USSR, 1986, p.27), which is a massive cast part made of cast iron. The exhaust manifold has mounting flanges, on the one hand to the cylinder head of the engine, and on the other hand to the exhaust pipe of the exhaust pipe. During the operation of the internal combustion engine, the collector is exposed to significant temperature effects from the exhaust valves of the internal combustion engine.

Аналогичные конструкции выпускных коллекторов описаны в патентах США №5347810, МПК5 F 01 N 7/10, 1994, №5069036, МПК5 F 01 N 7/10, 1991, заявке ЕПВ (ЕР) 0049459, F 02 F 11/00, 1982.Similar designs of exhaust manifolds are described in US Pat. Nos. 5,347,810, IPC 5 F 01 N 7/10, 1994, 5069036, IPC 5 F 01 N 7/10, 1991, EPO (EP) 0049459, F 02 F 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).A common drawback of the devices described above is their significant metal consumption and heat capacity, i.e. during the operation of the internal combustion engine, their massive cast-iron structure takes a significant amount of heat, which is necessary if a catalytic converter is provided in the exhaust system, which is caused by modern high requirements for the maximum permissible content of internal combustion engine exhaust gases (products of incomplete combustion of the working mixture )

Известны технические решения, позволяющие уменьшить теплоемкость описанных конструкций коллекторов (см., например, заявку Японии №63-215809, МКИ4 F 01 N 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.Known technical solutions to reduce the heat capacity of the described reservoir designs (see, for example, Japanese application No. 63-215809, MKI F 01 N 7/10, 1988). Here, in the inner main part of the collector with the formation of a gap relative to the inner walls of the collector, a thin-walled pipe is installed, but this technique significantly complicates the design of the collector.

В современных конструкциях ДВС, в трассе выпуска которых предусмотрены каталитические нейтрализаторы, нашли широкое применение сварные выпускные коллекторы облегченной конструкции, штампованные из тонкого жаропрочного металлического листа, с приварными присоединительными фланцами (см. РСТ (WO) 90/06207, МКИ5 В 23 К 31/02, 1990; США №4656830, МКИ4 F 01 N 3/18, 1987; Франция №2644207, МКИ5 F 01 N 7/10, 1990; ФРГ №4200611, МКИ5 F 01 N 7/10, 1993; ЕПВ (ЕР) 0623739, МКИ5 F 01 N 7/10, 1994).Welded exhaust manifolds of lightweight construction, stamped from a thin heat-resistant metal sheet, with welded connecting flanges (see PCT (WO) 90/06207, MKI5 V 23 K 31 /, are widely used in modern ICE designs, in the exhaust route of which catalytic converters are provided). 02, 1990; USA No. 4656830, MKI4 F 01 N 3/18, 1987; France No. 264207, MKI5 F 01 N 7/10, 1990; Germany No. 4200611, MKI5 F 01 N 7/10, 1993; EPO (EP) 0623739, MKI5 F 01 N 7/10, 1994).

Применение таких сварных 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 F 01 N 7/10, 1991), штампованные из двух половин, так и поперечными (ФРГ, №3720714, МКИ4 F 01 N 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 F 01 N 7/10, 1996).The use of such welded exhaust manifolds in combination with various types of catalytic converters allows the implementation of stringent international toxicity requirements of Euro-3 and Euro-4. The technical difficulties that arise in the manufacture of the described collectors are, first of all, that it is necessary to observe the geometric parameters that are optimal from the point of view of hydraulic resistances - bending radii of individual pipes, lengths of individual pipes, their specific location in the cramped space of the engine compartment and a number of other parameters . Therefore, as a rule, each of the individual pipes of the collector is made by welding the individual components of the pipe elements. Moreover, the connectors can be either longitudinal (Japanese application No. 3-63644, MKI5 F 01 N 7/10, 1991), stamped from two halves, or transverse (Germany, No. 3720714, MKI4 F 01 N 7/14, 1989) when each of the pipes is welded from separate pre-shaped pipes. Or in the completed design of the collector, both of the above techniques are applied simultaneously (France, No. 2727466, IPC6 F 01 N 7/10, 1996).

В качестве прототипа выбран сварной выпускной коллектор для ДВС легковых автомобилей (полезная модель России №14974, МПК7 F 01N 7/10, БИ №25, 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 бобышками в местах расположения крепежных отверстий. Все патрубки выполнены из одного материала.As a prototype, a welded exhaust manifold for internal combustion engines of passenger cars was selected (utility model of Russia No. 14974, MPK7 F 01N 7/10, BI No. 25, 09/10/2000), which contains at least two flow pipes consisting, for example, of pipes, fastened together by welding, the upper ends of which are connected to the intake openings of the internal combustion engine through the holes of at least one flange, and the lower ends of the pipes are at least two connected to the collector elements, the lower ends of which are fixed to the lower outlet flange and through its openings s with the outlet pipe of the gas purification system, said tubes both flow tubes are made of heat resistant sheet material. The collector elements are made in the form of funnels, while the upper ends of both flow tubes are mounted on a solid inlet flange. The lower outlet flange is made of sheet material, mainly of heat-resistant steel, with flanging along its edges and holes and welded bosses at the locations of the mounting holes. All nozzles are made of one material.

К недостаткам рассмотренного сварного выпускного коллектора, как показала практика его эксплуатации на отдельных моделях автомобилей ВАЗ, в первую очередь следует отнести то, что, подвергаясь значительным перепадам температуры, жесткая конструкция коллектора, имеющая разные по длине патрубки, материал которых имеет одинаковый коэффициент линейного расширения, накапливает значительные остаточные деформации, что в конечном итоге приводит к нарушению герметичности в стыке коллектора с корпусом двигателя. Кроме того, 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.The disadvantages of the considered welded exhaust manifold, as shown by the practice of its operation on individual models of VAZ automobiles, are, first of all, the fact that, subject to significant temperature changes, the rigid design of the manifold, having different lengths of pipes, the material of which has the same linear expansion coefficient, accumulates significant residual deformations, which ultimately leads to a violation of the tightness in the junction of the collector with the engine housing. In addition, the manufacture of individual manifold pipes from individual nozzles, which, in turn, are welded from several short or straight pipe sections, followed by welding, leads to non-optimal geometric parameters of the collector as a whole, which increases the hydraulic resistance in the exhaust path of the internal combustion engine, reduces its power and torque. In particular, in the prototype, the nozzle of the first cylinder is welded from two curved pipe segments, the nozzles of the second and third cylinders are welded from two pipe segments, and the nozzle of the fourth cylinder is welded from four pipe sections, two of which are straight and curved, bent along the radius.

Для устранения названного нежелательного явления в известном выпускном коллекторе предлагается компенсировать температурные деформации конструкции за счет подбора материала патрубков разной длины с различными коэффициентами линейного расширения. Кроме того, предлагается не только составить конструкцию коллектора из цельных отдельных патрубков, но и оптимизировать при этом их геометрические параметры, особенно в зоне гиба каждого отдельного патрубка, с целью достижения минимальных гидропотерь в тракте системы выпуска отработавших газов.To eliminate this undesirable phenomenon in a known exhaust manifold, it is proposed to compensate for thermal deformations of the structure due to the selection of material of nozzles of different lengths with different coefficients of linear expansion. In addition, it is proposed not only to construct the design of the collector from single separate nozzles, but also to optimize their geometric parameters, especially in the bending zone of each individual nozzle, in order to achieve minimal water losses in the exhaust system tract.

Сущность изобретения заключается в том, что в сварном выпускном коллекторе, содержащем присоединительные фланцы, по крайней мере две проточные трубы, одна из которых (более длинная) образована сходящимися на выходе патрубками первого и четвертого цилиндров ДВС, а другая (которая короче первой) 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, названные трубы изготовлены из материалов с различными коэффициентами линейного расширения, причем более длинные трубы изготавливают из материала с меньшим коэффициентом линейного расширения, а короткие - с большим коэффициентом линейного расширения. Кроме того, каждый из отдельных патрубков выполнен из цельного отрезка тонкостенной жаропрочной трубы, при этом радиусы гиба патрубков более длинной трубы составляют 1,8-2,2 диаметра патрубка в месте его гиба.The essence of the invention lies in the fact that in a welded exhaust manifold containing connecting flanges, at least two flow pipes, one of which (longer) is formed by converging at the outlet pipes of the first and fourth ICE cylinders, and the other (which is shorter than the first) is formed by converging the outlet pipes of the second and third cylinders, the upper ends of which are connected to the inlet of the engine through the holes of at least one flange, and the lower ends of the pipes are fixed to the lower outlet flange and through its openings are in communication with the exhaust pipelines of the gas treatment system, the pipes being made of heat-resistant sheet material, said pipes being made of materials with different linear expansion coefficients, the longer pipes being made of material with a lower coefficient of linear expansion, and short pipes with a large coefficient of linear expansion . In addition, each of the individual nozzles is made of an integral segment of a thin-walled heat-resistant pipe, while the bending radii of the nozzles of the longer pipe are 1.8-2.2 of the diameter of the nozzle in the place of its bending.

Сущность изобретения иллюстрируется на фиг.1 и 2.The invention is illustrated in figures 1 and 2.

Сварной выпускной коллекторе содержит по крайней мере две проточные трубы 1 и 2, одна из которых образована сходящимися на выходе патрубками 3 и 4 соответственно первого и четвертого цилиндров ДВС, а другая образована сходящимися на выходе патрубками 5 и 6 соответственно второго и третьего цилиндров, верхние концы которых соединены с впускными отверстиями ДВС через отверстия по крайней мере одного фланца 7, а нижние концы труб закреплены на нижнем выпускном фланце 8 и через его отверстия сообщены с выпускными трубопроводами системы очистки газов, причем трубы 1 и 2 выполнены из жаропрочного листового материала. Более длинная труба 1 выполнена из материала, коэффициент линейного расширения которого меньше, чем соответствующий коэффициент материала, из которого изготовлена более короткая труба 2. Каждый из отдельных патрубков 3-6 выполнен из цельного отрезка тонкостенной жаропрочной трубы, при этом радиусы гиба патрубков 3 и 4 первого и четвертого цилиндров составляют 1,8-2,2 диаметра патрубка в месте его гиба.The welded exhaust manifold contains at least two flow pipes 1 and 2, one of which is formed by the outlet pipes 3 and 4 converging at the outlet, respectively, of the first and fourth ICE cylinders, and the other is formed by the outlet pipes 5 and 6, converging at the outlet, respectively, of the second and third cylinders, the upper ends which are connected to the inlet of the internal combustion engine through the openings of at least one flange 7, and the lower ends of the pipes are fixed to the lower outlet flange 8 and through its openings are in communication with the exhaust pipes of the cleaning system scratch, the tubes 1 and 2 are made of heat resistant sheet material. The longer pipe 1 is made of a material whose linear expansion coefficient is less than the corresponding coefficient of the material from which the shorter pipe 2 is made. Each of the individual pipes 3-6 is made of an integral segment of a thin-walled heat-resistant pipe, while the bending radii of the pipes 3 and 4 the first and fourth cylinders are 1.8-2.2 of the diameter of the pipe in place of its bend.

Приведенная на фиг.2 схема наглядно иллюстрирует процессы, которые происходят при нагреве конструкции коллектора. Сварной коллектор представляет собой конструкцию со статически неопределимыми деформациями в стержнях (трубах 3-6) при изменении температуры конструкции. Схема необходимых удлинений стержней при нагреве всей конструкции при условии не возникновения силовых деформаций представлена на фиг.2. Пунктирными линиями изображены стержни в положении, которое они занимают после нагрева. Стержень 1 получил приращение Δ L₁, стержень 2 получил приращение Δ L₂, при этом точка соединения стержней Д перешла в положение Д₁.The diagram shown in figure 2 clearly illustrates the processes that occur when the design of the collector is heated. A welded collector is a structure with statically indeterminate deformations in the rods (pipes 3-6) with a change in the temperature of the structure. A diagram of the necessary extensions of the rods when heating the entire structure, provided that no force deformations occur, is shown in FIG. 2. The dashed lines show the rods in the position that they occupy after heating. Rod 1 received an increment Δ L ₁ , rod 2 received an increment Δ L ₂ , while the connection point of the rods D moved to position D ₁ .

Соотношение приращений стержней, исходя из геометрических соображений (подобия треугольника АСД и треугольника приращений стержней Д₁КД), должно быть равноThe ratio of the increments of the rods, based on geometric considerations (similarity triangle ASD and triangle increments of rods D ₁ KD) should be equal

При равенстве коэффициентов линейного расширения (КЛР) материалов стержней 1 и 2, учитывая то, что температурные деформации стержней пропорциональны их длинам, такое соотношение не может быть обеспечено. Чтобы деформации были совместны, необходимо соотношение между КЛР стержней 1 и 2 определить из зависимости (1). Принимая, чтоIf the linear expansion coefficients (CLC) of the materials of the rods 1 and 2 are equal, given the fact that the temperature deformations of the rods are proportional to their lengths, this ratio cannot be ensured. In order for the strains to be compatible, it is necessary to determine the ratio between the CRC of rods 1 and 2 from dependence (1). Assuming that

Δ L₁=α ₁· L₁· Δ t,Δ L ₁ = α ₁ · L ₁ · Δ t,

Δ L₂=α ₂· L₂· Δ t,Δ L ₂ = α ₂ · L ₂ · Δ t,

получимwe get

Из зависимости (2) следует, что для конструкции коллектора с углом β =60° при условии отсутствия силовых деформаций необходимо выбрать материалы труб 1 и 2 с коэффициентами линейных расширений, отличающимися в два раза. Практически это достижимо, если трубу 1 изготовить из материала 15Х28 с КЛР, равным 11,0· 10^-6 1/° С, а трубу 2 изготовить из материала 12Х18Н9Т с КЛР, равным 19,5· 10^-6 1/° С (Марочник сталей и сплавов. В.Г.Сорокин, А.В.Волосникова, С.А.Вяткин и др. - М.: Машиностроение, 1989, с.640).From dependence (2) it follows that for the design of the collector with an angle β = 60 °, provided that there are no force strains, it is necessary to choose pipe materials 1 and 2 with linear expansion coefficients that differ by a factor of two. In practice, this is achievable if pipe 1 is made of 15X28 material with a CLR equal to 11.0 · 10 ^-6 1 / ° С, and pipe 2 is made of 12X18N9T material with a CLR equal to 19.5 · 10 ^-6 1 / ° С ( Marochnik of steels and alloys (V.G. Sorokin, A.V. Volosnikova, S.A. Vyatkin, etc. - M .: Mashinostroenie, 1989, p. 640).

Кроме того, при таком конструктивном исполнении достигаются минимальные гидропотери в тракте выпуска ДВС, что приводит к повышению мощности и увеличению крутящего момента ДВС.In addition, with this design, minimal water losses are achieved in the ICE exhaust path, which leads to an increase in power and an increase in the torque of the ICE.

Предложенное техническое решение промышленно применимо, поскольку оно может быть использовано промышленным способом в автомобилестроении и других областях народного хозяйства, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо.The proposed technical solution is industrially applicable, since it can be used industrially in the automotive industry and other areas of the national economy, workable, feasible and reproducible.

Работает устройство обычным образом.The device works in the usual way.

На такте выпуска отработавших газов из цилиндров двигателя, когда выпускной клапан открыт, горячие отработавшие газы вытесняются в выпускной коллектор, далее поступают в 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.At the exhaust gas exhaust cycle from the engine cylinders, when the exhaust valve is open, hot exhaust gases are displaced into the exhaust manifold, then they enter the catalytic converter, leak through its active substance and are sufficiently cleaned of harmful substances into the muffler (silencers if in the exhaust path there are several of them), while losing some of the sound energy, and then they are released into the atmosphere.

Использование заявленного технического решения позволяет создать недорогую и компактную конструкцию эффективного, надежного в эксплуатации 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.Using the claimed technical solution allows you to create an inexpensive and compact design of an efficient, reliable exhaust manifold, increase the competitiveness of domestic cars by complying with their environmental safety to international standards, reduce air pollution in settlements with toxic exhaust components of vehicles, the power unit of which is based on ICE.

Claims (2)

1. Сварной коллектор двигателя внутреннего сгорания, содержащий присоединительные фланцы, соединенные несколькими трубами различной длины, отличающийся тем, что трубы изготовлены из материалов с различными коэффициентами линейного расширения, причем более длинные трубы изготавливают из материала с меньшим коэффициентом линейного расширения, а короткие - с большим коэффициентом линейного расширения.1. Welded manifold of an internal combustion engine containing connecting flanges connected by several pipes of different lengths, characterized in that the pipes are made of materials with different linear expansion coefficients, the longer pipes being made of a material with a lower coefficient of linear expansion, and short pipes with a large linear expansion coefficient. 2. Сварной коллектор по п.1, отличающийся тем, что трубы составлены из отдельных патрубков, выполненных из цельного отрезка тонкостенной жаропрочной трубы, при этом радиусы гиба патрубков более длинной трубы составляют 1,8...2,2 диаметра патрубка в месте его гиба.2. The welded manifold according to claim 1, characterized in that the pipes are composed of separate nozzles made of an integral segment of a thin-walled heat-resistant pipe, while the bending radii of the pipes of the longer pipe are 1.8 ... 2.2 of the diameter of the pipe in place bending.

Images