PL193602B1 - Kolektor wydechowy dla silników spalinowych oraz rdzeń odlewniczy do wytwarzania kolektora wydechowego i sposób wytwarzania kolektora wydechowego - Google Patents

Abstract

1. Kolektor wydechowy dla silników spalino- wych, sk ladaj acy si e, z co najmniej jednej rury kolektorowej z umieszczonymi na jej ko ncach ko lnierzami przy laczeniowymi i z katalizatorem umieszczonym w prostym odcinku rury kolekto- rowej, znamienny tym, ze katalizator (4) jest odlany jak „rdze n tracony” w prostym, rozsze- rzonym w odniesieniu do rury kolektorowej (1) odcinku (3) odlanej jako jedna czesc rury kolekto- rowej (1), razem z ni a, przy czym katalizator (4) i kolektor wydechowy tworz a jedn a, integraln a, gotow a do zamontowania cz esc konstrukcyjn a. PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kolektor wydechowy dla silników spalinowych. Przedmiotem wynalazku jest także rdzeń odlewniczy do wytwarzania kolektora wydechowego według wynalazku oraz sposób wytwarzania kolektora wydechowego według wynalazku.

Pełna skuteczność katalizatorów zaczyna się dopiero przy temperaturze około 250° na ich czynnej powierzchni. W krytycznych fazach pracy z zimnym silnikiem, jak, wspomniano, „temperatura zaskoczenia” katalizatora nie jest jeszcze osiągana i stąd duża ilość szkodliwych substancji jest emitowana bez ich neutralizowania. W celu w przybliżeniu całkowitego wyeliminowania tej wady, umieszcza się katalizatory możliwie blisko w kierunku głowicy cylindrowej silnika. Za pomocą tego środka unika się dużych strat ciepła. Efektywność jest dzięki temu wprawdzie wysoka, lecz jest to także związane z wysokimi kosztami. Wadą takiego umieszczania katalizatora w przestrzeni silnikowej jest to, że najczęściej możliwe jest tylko zamontowanie go za kolektorem wydechowym, to znaczy w dalszym ciągu w zbyt dużej odległości od głowicy cylindrowej silnika.

Proponowano też już, aby umieszczać katalizatory w rurze zbiorczej kolektora wydechowego. Zarówno jednak w jednym jak i w drugim przypadku wymagany jest podział wzdłużny, umieszczenie wzdłużne kołnierzy i uszczelnień w odcinku rury, w którym ma być umieszczony katalizator, tak, aby można było włożyć katalizator szczelnie pasujący do danej rury. Pomijając to, że tego rodzaju wzdłużne podziały i wzdłużne umieszczanie kołnierzy jest związane ze znacznymi kosztami wykonawczymi, wymagają one także odpowiedniej przestrzeni, której nie ma w praktyce do dyspozycji przy obecnym, bardzo ciasnym rozmieszczaniu przestrzennym i zwartym kształcie silników. To samo odnosi się także do możliwości umieszczania katalizatora w oddzielnej obudowie przyłączanej znów za pomocą kołnierza do kolektora wydechowego, aby do niej przyłączać poprzez kołnierz właściwy przewód odprowadzający spaliny.

Kolektor wydechowy dla silników spalinowych, składający się, z co najmniej jednej rury kolektorowej z umieszczonymi na jej końcach kołnierzami przyłączeniowymi i z katalizatorem umieszczonym w prostym odcinku rury kolektorowej, według wynalazku charakteryzuje się tym, że katalizator jest odlany jak „rdzeń tracony” w prostym, rozszerzonym w odniesieniu do rury kolektorowej odcinku odlanej jako jedna część rury kolektorowej, razem z nią, przy czym katalizator i kolektor wydechowy tworzą jedną, integralną, gotową do zamontowania część konstrukcyjną.

Ścianka odlewu rury kolektorowej w obszarze powierzchni czołowych katalizatora jest uformowana w kształcie obwodowego wyokrąglenia, sięgającego poniżej płaszczyzn czołowych powierzchni.

Utworzony jako zwinięty z metalu katalizator jest otoczony cienkościenną, wyposażoną w środki kotwiące tuleją z żarowytrzymałej, odpornej na zgorzelinowanie stali.

Utworzony z ceramicznego monolitu katalizator jest okryty pęczniejącą matą lub warstwą masy lejnej.

Rdzeń odlewniczy do wytwarzania kolektora wydechowego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że jest utworzony z katalizatora i z nasadzonych na niego wzajemnie zakotwionych przyłączowych lub kolektorowych rdzeni, pomiędzy którymi i powierzchniami czołowymi katalizatora umieszczone są zamykające folie dla kanałów przepływowych katalizatora.

W kanałach przepływowych umieszczone jest wypełnienie z sypkiego, drobnoziarnistego aż do postaci pylistej, ceramicznego i/lub metalicznego proszku.

Oba rdzenie kolektorowe w obszarze nasadzenie na powierzchnie czołowe katalizatora wyposażone są w obwodowe, zakrywające szczeliny pomiędzy katalizatorem i rdzeniami kolektorowymi, zgrubienia.

Sposób wytwarzania kolektora wydechowego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że powierzchnie czołowe katalizatora zamyka się za pomocą folii przechodzących w stan lotny pod działaniem nagrzewania podczas odlewania, a następnie na te zamknięte powierzchnie czołowe nasadza się i wzajemnie zakotwią obydwa rdzenie przyłączeniowe i ten całkowity rdzeń wkłada się w formę negatywową i zalewa się przestrzeń pomiędzy całkowitym rdzeniem i wklęsłą formą.

Najpierw jedną powierzchnię czołową katalizatora zamyka się jedną z folii, a potem kanały przepływowe katalizatora wypełnia się sypkim, drobnoziarnistym aż do postaci pylistej, odpornym na wysoką temperaturę, ceramicznym i/lub metalicznym proszkiem i następnie zamyka się również odpowiednią folią drugą powierzchnię czołową katalizatora.

Spaliny silników gaźnikowych i wysokoprężnych zawierają takie substancje, jak HC, CO, NOX i inne składniki, które zanieczyszczają środowisko. Emisja tych szkodliwych substancji musi być utrzymana

PL 193 602 B1 na możliwie niskim poziomie. Szczególnie duże ilości emitowanych substancji są oddawane do atmosfery podczas fazy uruchamiania lub fazy rozgrzewania, ponieważ przy fazie rozruchu lub pracy z zimnym silnikiem spalanie w cylindrach silnika nie jest jeszcze całkowite.

Substancje takie jak HC, CO i inne cząsteczki w tej fazie pracy z zimnym silnikiem także jeszcze znajdują się w spalinach w dużym stężeniu. W celu zmniejszenia emisji tych substancji, obecnie niemal bez wyjątku umieszcza się w rurze wydechowej, przyłączonej po stronie wydechowej silnika, katalizatory, których zadaniem jest przekształcanie tych szkodliwych substancji w neutralne składniki.

Pod pojęciem kolektora wydechowego względnie rury kolektorowej rozumie się tu część całego układu wydechowego połączonego kołnierzowe z silnikiem, która to część stanowi połączenie pomiędzy silnikiem względnie głowicą cylindrową i prowadzącym do tłumika wydechowego przewodem wydechowym, przy czym rura kolektorowa ma, w zależności od liczby cylindrów, odpowiednią liczbę odcinków przewodów odgałęźnych. Nie są tu potrzebne połączenia kołnierzowe i śrubowe, które zwykle występują przy katalizatorach umieszczanych w oddzielnej obudowie, ponieważ katalizator według wynalazku jest odlany wspólnie z kolektorem wydechowym i stanowi integralną z nim część, to znaczy, ponieważ nie są potrzebne wszystkie i ostatecznie dodatkowe prace montażowe i wymagające przestrzeni połączenia kołnierzowe, więc umożliwione zostało zwarte, odpowiadające ścieśnionym z reguły w nowoczesnych pojazdach warunkom przestrzennym w przestrzeniach silnikowych, ulokowanie zawierającego katalizator kolektora wydechowego, który wymaga tylko przyłączenia do głowicy cylindrowej danego silnika.

Istnieją różne metody wykonywania za pomocą odlewania pustych korpusów, poczynając od wkładania rdzenia o stałym kształcie we wklęsłą formę odlewniczą, przy czym także pozostają wolne przestrzenie, które mają być wypełniane materiałem lanym. Praktykowana jest jednak także tak zwana „metoda traconej pianki”, w której przestrzeń, która ma pozostać wolna i która ma być zalewana, jest najpierw zajmowana przez łatwopalny i łatwo przechodzący w stan lotny materiał piankowy, który poniekąd jest osadzony na rdzeniu nośnym jako tuleja o grubości odpowiadającej wymaganej grubości ścianki odlewanego pustego korpusu. Znane jest także, zamiast stosowania materiału piankowego, tworzenie takiej tulei z wosku, który łatwo się topi podczas procesu odlewania.

Do obecnie według wynalazku przewidzianego bezpośredniego wbudowywania katalizatora w mający kształt pustego korpusu kolektor wydechowy mogą wprawdzie w zasadzie być stosowane te znane sposoby, jednak nie bez pewnych zmian, ponieważ staje temu na przeszkodzie konstrukcja katalizatora, a jego czynna katalitycznie powierzchnia nie może podlegać niekorzystnemu wpływowi procesu odlewania.

Według wynalazku sposób wytwarzania kolektora wydechowego, który według wynalazku jest ukształtowany jako jedna całość z katalizatora i otaczającego go pustego korpusu, ma taki przebieg, że powierzchnie czołowe katalizatora zamyka się za pomocą folii przechodzących w stan lotny pod wpływem nagrzewania, a następnie na te zamknięte powierzchnie czołowe nasadza się i wzajemnie zakotwią obydwa rdzenie przyłączeniowe i całkowity rdzeń wkłada się w formę negatywową i zalewa się przestrzeń pomiędzy całkowitym rdzeniem i formą negatywową. Można było przy tym pominąć rozstrzygnięcie, które z powyżej wymienionych sposobów postępowania zapewniają szczególnie zadawalający wynik wytwarzania kolektora wydechowego. Przy sposobie wytwarzania według wynalazku okazywało się każdorazowo, że w tej metodzie pomimo bezpośredniego obudowania katalizatora już przy odlewaniu kolektora wydechowego nie ulega uszkodzeniu powłoka katalityczna w kanałach przepływowych. Aby móc mieć, co do tego absolutną pewność, istnieje korzystne rozwinięcie tego sposobu polegające na tym, że najpierw jedną powierzchnię czołową katalizatora zamyka się folią, a potem kanały przepływowe katalizatora wypełnia się sypkim, drobnoziarnistym aż do postaci pylistej, odpornym na wysoką temperaturę, ceramicznym i/lub metalicznym proszkiem i następnie zamyka się również odpowiednią folią drugą powierzchnię czołową.

Dalszy odnośny środek przy przygotowawczym kształtowaniu rdzenia i przy uzyskiwanym w ten sposób ukształtowaniu kolektora wydechowego polega na tym, że odlewana ścianka rury kolektorowej w obszarze powierzchni czołowych katalizatora jest ukształtowana w postaci obwodowego, usytuowanego pod płaszczyzną powierzchni czołowej wyokrąglenia.

Dzięki zastosowaniu techniki odlewania cienkościennego (grubość ścianek wynosi tylko około 2 mm) i dzięki temu, że nie są już potrzebne kołnierze mocujące, śruby, uszczelki i podkładki, ciężar kolektora wydechowego z wbudowanym katalizatorem może być mniejszy.

PL 193 602 B1

Katalizator nie ponosi, co do swojej katalitycznie czynnej powłoki, jak się okazało i jak wspomniano, żadnych szkód, powodowanych przez ciepło wprowadzane poprzez ciekły odlewany metal, a także nie udało się stwierdzić niepożądanego spadku sprawności katalizatora.

Poprzez szybkie ochłodzenie ciekłego metalu, dzięki małej grubości ścianek, nie ulega szkodliwemu wpływowi w katalizatorze ani obmywana powłoka ani wprowadzony katalityczny metal szlachetny. Po obrobieniu kołnierza jest kolektor wydechowy, z wbudowanym za pomocą odlewania katalizatorem, gotowy do zamontowania. Mogą być także bez problemu otaczane za pomocą odlewania zawijane katalizatory metalowe lub też katalizatory w postaci ceramicznych monolitów.

Dalsza zaleta wynalazku polega na „samodopasowywaniu się” płynnego metalu do katalizatora mającego z reguły odchyłki. Na obwodzie otoczonego odlewem katalizatora występują dzięki zintegrowaniu przez odlewanie wszędzie te same naprężenia promieniowe, obojętne czy istnieją odchylenia, takie jak niekołowość, stożkowość lub inne nieprawidłowości kształtu.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony na podstawie przykładów wykonania przedstawionych na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia kolektor wydechowy według wynalazku z umieszczonym za pomocą odlewania katalizatorem, w widoku perspektywicznym, fig. 2 kolektor wydechowy według fig. 1, w przekroju, fig. 3 - obszar z umieszczonym w kolektorze wydechowym katalizatorem, w dużym powiększeniu i z częściowym przekrojem, fig. 4 - rozmieszczenie „rdzenia całkowitego” w odpowiedniej formie negatywowej, fig. 5 - częściowy przekrój przez zwijany katalizator z metalu, a fig. 6 - schematycznie etapy postępowania A do D w sposobie wytwarzania kolektora wydechowego według wynalazku.

Kolektor wydechowy dla silników spalinowych, przedstawiony jako przykład wykonania, składa się, jak dotychczas, z co najmniej jednej rury kolektorowej 1 z umieszczonymi na jej końcach kołnierzami przyłączeniowymi 2 i z katalizatorem 4 umieszczonym w prostym, rozszerzonym odcinku 3 rury kolektorowej 1.

W takim kolektorze wydechowym, uwidocznionym na fig. 1 i 2, jest istotne to, że katalizator 4 jest odlany tak jak „rdzeń tracony” w prostym odcinku 3 odlanej jako jedna część rury kolektorowej 1, to znaczy cały kolektor wydechowy ze swoim, na fig. 1 tylko przykładowo przedstawionym, zewnętrznym kształtem stanowi łącznie z katalizatorem integralną jednostkę konstrukcyjną, która w stanie przygotowanym do montażu jest w zwykły sposób przyłączana kołnierzowo swymi górnymi czterema przyłączami przewodów odgałęźnych do głowicy cylindrowej ZK nieprzedstawionego poza tym czterocylindrowego silnika i do dolnego, prowadzącego do tłumika (również nieprzedstawionego), przewodu wydechowego AL.

Biorąc za punkt wyjścia zwykłe zasady odlewania, według których albo w formę negatywową NF wkłada się rdzeń z podpórkami rdzeniowymi i zalewa się ciekłym metalem pustą przestrzeń pomiędzy rdzeniem i formą negatywową albo, według których rdzeń otacza się traconą pianką („LOST FOAM”) lub tuleją woskową, został taki kolektor wydechowy według wynalazku korzystnie wykonany według fig. 6 w ten sposób, że powierzchnię czołową 5 katalizatora 4 najpierw (fig. 6A) zamyka się folią przechodzącą w stan lotny w wyniku nagrzewania, a następnie jego kanały przepływowe 4' wypełnia się (fig. 6A) sypkim, drobnoziarnistym aż do postaci pylistej, odpornym na wysoką temperaturę, ceramicznym i/lub metalicznym proszkiem i zamyka się również odpowiednią folią 7 drugą powierzchnię czołową 5' (fig. B), po czym katalizator 4 wkłada się, z umieszczonymi po stronie czołowej i wzajemnie zakotwionymi przyłączowymi względnie kolektorowymi rdzeniami 8, 8' (fig. 6C) stanowiącymi „rdzeń całkowity”, do formy negatywowej NF (fig. 6D). Nie jest zwłaszcza przy tym przedstawiony zasadniczy sposób według wynalazku, w którym kanały przepływowe 4' jedynie są zamknięte folią 7, lecz nie są wypełnione proszkiem, to znaczy po prostu nie ma zaznaczonego na fig. 6A za pomocą strzałki dodawania proszku. Na fig. 6C' jest zresztą również pokazany „rdzeń całkowity” według wynalazku w jego korzystnej postaci wykonania, to znaczy oba przyłączowe lub kolektorowe rdzenie 8, 8' są w swoich obszarach nasadzenia na katalizator 4 wyposażone w obwodowe zgrubienia 9, które zakrywają szczeliny pomiędzy rdzeniami kolektorowymi i powierzchniami czołowymi 5 i tym samym foliami 7.

Ułożenie folii 7, które przykładowo są wykonane z odpowiedniego papieru, na powierzchniach czołowych 5, 5' katalizatora 4 zapewnia przy tym to, że w żadnym wypadku masa rdzeniowa z przykładanych od strony czołowej kolektorowych rdzeni 8, 8' nie może się dostać, przy niesprzyjających okolicznościach, do katalitycznej powłoki w kanałach przepływowych 4' (na fig. 3 zaznaczonych tylko schematycznie) katalizatora 4, przy czym wypełnienie proszkowe w kanałach 4' z jednej strony zapewnia podparcie dla obu cienkich ochronnych folii 7, a z drugiej strony zapewnia to, że żadne pozostałości folii

PL 193 602 B1 przy ich „wypalaniu” podczas zalewania nie dostaną się do kanałów przepływowych 4', co mogłoby mieć niekorzystny wpływ na działanie katalizatora. Wypełnienie kanałów przepływowych 4' bardzo drobnym, sypkim piaskiem i/lub proszkiem jest konieczne, dlatego, aby bo wykonaniu odlewu móc usunąć proszkowe wypełnienie jak i oba kolektorowe rdzenie 8, 8' i odsłonić czynne powierzchnie katalizatora.

Jeśli kolektorowe rdzenie 8, 8' zostałyby uformowane po stronie nasadzania na powierzchnie czołowe 5, 5' katalizatora 4 z kształtem dokładnie zgodnym, wówczas istniałoby pewne niebezpieczeństwo, że przy odlewaniu metal zalewany wnikałby do pewnego stopnia w powstałe szczeliny połączeń rdzeni. Aby móc być w związku z tym pewnym, że do tego nie dojdzie, korzystnie jest przewidzieć, żeby ścianka odlewu rury kolektorowej 1 w obszarze powierzchni czołowych 5 katalizatora 4 była uformowana w kształcie obwodowego wyokrąglenia 6, sięgającego poniżej płaszczyzn E czołowych powierzchni. Odsyła się tu do fig. 3, która ukazuje to łącznie z nasadzonymi na katalizator 4 kolektorowymi rdzeniami 8, 8', których prowadzące do wyokrągleń 6 obwodowe zgrubienia 9 osłaniają powstające podczas „wypalania” folii 7 promieniowe szczeliny, jak uprzednio wspomniano, przed wnikaniem ciekłego metalu.

Jak to również jest widoczne na fig. 3, osadzone na obu końcach katalizatora przyłączowe lub kolektorowe rdzenie 8, 8' są połączone za pomocą kotew 10 przechodzących przez katalizator 4, tak, aby zapewnić trzymanie się razem „całkowitego rdzenia”.

Jeśli katalizator 4 według wynalazku odlany tak jak „rdzeń tracony” stanowi zwijany katalizator metalowy, to okrywa się go według fig. 5 cienkościenną tuleją 11 z żarowytrzymałej, odpornej, na zgorzelinowanie stali, która może być wyposażona w środki kotwiące 11' w postaci małych wycięć, w celu utworzenia ustalenia względem otaczającej ścianki odlewu. Takie środki kotwiące 11' mogą jednak także być zapewnione po prostu przez chropowatość powierzchni.

Jeśli katalizator 4 jest katalizatorem ceramicznym, to korzystnie okrywa się go tak zwaną pęczniejącą matą 12 (na przykład włókniną z ognioodpornych włókien z umieszczonymi cząsteczkami wermikulitu), która przy nagrzewaniu pęcznieje i pewnie ustala tworzący katalizator ceramiczny monolit w odlanym wokoło kolektorze wydechowym. Można także uwzględnić posmarowanie ceramicznego monolitu tak zwaną masą lejną. Jeśli stosowana jest pęczniejąca mata 12, to wymagane jest, jak to również wskazano na fig. 2, pokrycie jej od góry i od dołu tak zwanymi pierścieniami chroniącymi przed przedmuchem. Aby ponadto zapobiec przesunięciu takiej pęczniejącej maty 12 podczas procesu odlewania, można ją przykleić do zewnętrznej powierzchni katalizatora 4 i/lub ustalić za pomocą owinięcia cienkim drutem 14 (patrz fig. 4).

Claims (9)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Kolektor wydechowy dla silników spalinowych, składający się, z co najmniej jednej rury kolektorowej z umieszczonymi na jej końcach kołnierzami przyłączeniowymi i z katalizatorem umieszczonym w prostym odcinku rury kolektorowej, znamienny tym, że katalizator (4) jest odlany jak „rdzeń tracony” w prostym, rozszerzonym w odniesieniu do rury kolektorowej (1) odcinku (3) odlanej jako jedna część rury kolektorowej (1), razem z nią, przy czym katalizator (4) i kolektor wydechowy tworzą jedną, integralną, gotową do zamontowania część konstrukcyjną.
2. 2. Kolektor według zastrz. 1, znamienny tym, że ścianka (1') odlewu rury kolektorowej (1) w obszarze powierzchni czołowych (5) katalizatora (4) jest uformowana w kształcie obwodowego wyokrąglenia (6), sięgającego poniżej płaszczyzn (E) czołowych powierzchni.
3. 3. Kolektor według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że utworzony jako zwinięty z metalu katalizator (4) jest otoczony cienkościenną, wyposażoną w środki kotwiące (11') tuleją (11) z żarowytrzymałej, odpornej na zgorzelinowanie stali.
4. 4. Kolektor według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że utworzony z ceramicznego monolitu katalizator (4) jest okryty pęczniejącą matą (12) lub warstwą masy lejnej.
5. 5. Rdzeń odlewniczy do wytwarzania kolektora wydechowego, znamienny tym, że jest utworzony z katalizatora (4) i z nasadzonych na niego wzajemnie zakotwionych przyłączowych lub kolektorowych rdzeni (8, 8'), pomiędzy którymi i powierzchniami czołowymi (5) katalizatora (4) umieszczone są zamykające folie (7) dla kanałów przepływowych (4') katalizatora (4).

   PL 193 602 B1
6. 6. Rdzeń odlewniczy według zastrz. 5, znamienny tym, że w kanałach przepływowych (4') umieszczone jest wypełnienie z sypkiego, drobnoziarnistego aż do postaci pylistej, ceramicznego i/lub metalicznego proszku.
7. 7. Rdzeń odlewniczy według zastrz. 5, znamienny tym, że oba rdzenie kolektorowe (8, 8') w obszarze nasadzenie na powierzchnie czołowe (5) katalizatora (4) wyposażone są w obwodowe, zakrywające szczeliny pomiędzy katalizatorem i rdzeniami kolektorowymi (8, 8'), zgrubienia (9).
8. 8. Sposób wytwarzania kolektora wydechowego, znamienny tym, że powierzchnie czołowe katalizatora zamyka się za pomocą folii przechodzących w stan lotny pod działaniem nagrzewania podczas odlewania, a następnie na te zamknięte powierzchnie czołowe nasadza się i wzajemnie zakotwią obydwa rdzenie przyłączeniowe i ten całkowity rdzeń wkłada się w formę negatywową i zalewa się przestrzeń pomiędzy całkowitym rdzeniem i wklęsłą formą.
9. 9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że najpierw jedną powierzchnię czołową katalizatora zamyka się jedną z folii, a potem kanały przepływowe katalizatora wypełnia się sypkim, drobnoziarnistym aż do postaci pylistej, odpornym na wysoką temperaturę, ceramicznym i/lub metalicznym proszkiem i następnie zamyka się również odpowiednią folią drugą powierzchnię czołową katalizatora.