排氣流防渦流器的製作方法

2023-06-04 14:02:11 1

專利名稱：排氣流防渦流器的製作方法
排氣流防渦流器領域本公開涉及噴射器系統，且更具體地涉及用於將試劑噴射到來自發動機的排氣流中的噴射器系統。背景本部分提供與本公開有關的但不一定是現有技術的背景信息。稀薄燃燒發動機通過使用超過燃料完全燃燒所需的量的過量氧氣來工作而提供改進的燃料效率。據說這種發動機運行「貧油」(lean)或「貧油混合氣」(lean mixture)。然而，燃料經濟性上的這種增加被不希望的特別以氮的氧化物(NOx)形式的汙染排放物抵銷。一種用於減少來自稀薄燃燒內燃機的NOx排放物的方法被稱為選擇性催化還原(SCR)。當被用於例如減少來自柴油發動機的NOx排放物時，SCR涉及將霧化試劑噴射到該發動機的排氣流中，這與一個或多個選定的發動機工作參數有關，例如排氣溫度、如藉助發動機燃料流量、渦輪增壓或排氣NOx質量流量測量出的發動機rpm或發動機負載。試劑/排氣氣體混合物通過含有催化劑的反應器，例如，諸如，活性炭，或金屬，例如鉬、釩或鎢，其能夠在試劑的存在下減小NOx濃度。尿素水溶液被稱為是柴油發動機的SCR系統中的一種有效的試劑。然而，這樣的尿素水溶液及其它試劑的使用可能包括缺點。尿素是高腐蝕性的，且鏽蝕SCR系統的機械部件，例如用於將尿素混合物噴射到排氣流中的噴射器。長期暴露於高溫(例如在柴油機排氣系統中所遇到的)下時，尿素還傾向於固化。固化的尿素積聚在通常出現在噴射器中的狹窄的通道和出口孔開口中。固化的尿素可能弄髒噴射器的運動部分以及堵塞任何開口，使噴射器無法使用。固化的尿素還可能導致伴隨系統的背壓及減排問題。因為試劑引起了沉積而未減少NOx，所以存在這種擔憂。幾種當前的噴射器系統包括安裝布置，其將噴射器定位在遠離排氣管的預定距離處。某些噴射器安裝布置可被稱為「投料室」(dog house)或「獨立」型式。這種安裝布置可能在噴射器安裝位置和試劑出口孔處或附近引入重新循環渦流和冷點。在尿素噴射期間，安裝區域中的重新循環渦流和降低的溫度可能導致試劑沉積，該試劑沉積可能阻塞安裝區域以及突出到排氣流中。此外，如果試劑混合物未被精細地霧化，則試劑沉積可能形成在催化反應器中，這抑制了催化劑的作用，且從而降低了 SCR系統的有效性。高噴射壓力是最小化尿素混合物的霧化不充分的問題的一種方式。然而，高噴射壓力往往導致噴射器噴射羽流過度進入到排氣流中，這導致羽流衝擊與噴射器相對的排氣管的內表面。過度進入導致了尿素混合物的不充分使用，且減小了車輛可以以減少的NOx排放物來運行的可行駛裡程。在車輛上只有有限量的試劑可被攜帶，且被攜帶的試劑應被有效使用以最大化車輛可行駛裡程並減少補充試劑的需要。此外，試劑可以是差的潤滑油。這一特點不利地影響了噴射器內的運動部分，而且要求噴射器內的相對運動部分之間採用特殊的裝配、間隙和公差。某些試劑具有高的滲漏傾向。該特點不利地影響了在許多地方需要增強的密封資源的配合表面。可以有利的是，提供用於將試劑噴射到稀薄燃燒發動機的排氣流中以最小化試劑沉積及延長噴射器部件的壽命的方法和設備。本公開內容的方法和裝置提供了上述及其它優點。概述本部分提供了本公開內容的總概述，而不是其全部範圍或者其全部特徵的全面公開。用於減小來自發動機的排放物的排氣處理系統包括排氣管道，排氣管道適合於將來自發動機的排氣流供給到排氣處理裝置。噴射器通過所述管道中的孔將試劑噴射到排氣流中。防潤流器(vortex breaker)包括具有延伸穿過所述孔的柱形套筒的安裝部，以及固定到且定位在所述柱形套筒內的擴口管。窗口部延伸通過所述柱形套筒的上遊部分，使得將所述擴口管暴露於排氣流。所述套筒包括與所述窗口部流體連通的下遊孔。提供了一種用於排氣處理系統的排氣流防潤流器(exhaust gas stream vortexbreaker)。所述排氣處理系統包括排氣管道和噴射器，所述排氣管道將來自發動機的排氣流供給到排氣處理裝置，所述噴射器用於將試劑噴射到所述排氣流中。所述防渦流器包括適合於將所述噴射器固定到所述管道的安裝部。所述安裝部包括柱形套筒和凸緣，所述柱形套筒適合於被定位在所述排氣流內。管具有被固定到所述套筒的擴口端部以及與所述套筒間隔開的自由端部。窗口部延伸穿過所述柱形套筒的上遊部分，使得將所述擴口端部暴露於所述排氣流。所述套筒還包括下遊孔。第一通道接收排氣流並在所述窗口部和所述下遊孔之間延伸。第二通道接收排氣流，並且從窗口部、越過所述管的外表面、繞過自由管且穿過所述管延伸至所述擴口端部。從本文所提供的描述中，另外的適用領域將變得明顯。本概述中的描述和具體實例只是用於說明的目的，而不旨在限制本公開內容的範圍。附圖簡述本文所描述的附圖僅僅用於對所選擇的實施方式而非全部可能的實現方式的說明的目的，而不旨在限制本公開的範圍。

圖1示出了示例性內燃機的示意圖，其具有使用了根據本教導的噴射器布置的排放物控制系統；圖2是排氣處理裝置的透視圖；圖3是圖2所示的裝置的剖視圖；圖4是排氣處理裝置的排氣防渦流器部分的透視圖；圖5是排氣處理裝置的排氣防渦流器部分的頂視圖；圖6是排氣處理裝置的排氣防渦流器部分的側視圖；圖7是排氣處理裝置的適配器的透視圖；圖8是防渦流器和適配器的橫截面視圖；以及圖9是通過防渦流器的排氣流量的速度分布模型。在貫穿附圖的幾個視圖中，對應的引用標號指示對應的部分。詳細描述現在將參照附圖更充分地描述示例性實施方式。
應理解，雖然本教導可以結合柴油發動機和NOx排放物的減少進行描述，但是本教導可關於多種排氣流中的任一種而使用，例如，通過非限制性示例的方式，來自柴油機、汽油、潤輪機、燃料電池、噴氣式飛機或任何其它輸出排出流的動力源的排氣流。此外，本教導可以關於多種不需要的排放物中的任一種的減少而使用。例如，用於柴油機微粒過濾器的再生的碳化氫噴射也在本公開的範圍內。對於另外的描述，應注意，共同轉讓的於2008年11 月 21 日提交的題為「Method And Apparatus For Injecting Atomized Fluids」的美國專利申請公開第2009/0179087A1號，其通過引用併入本文。參照附圖，提供了一種用於減少來自柴油發動機21的排氣的NOx排放物的汙染控制系統8。在圖1中，系統的單元之間的實線表示試劑的流體線路，且虛線表示電連接。本教導的系統可以包括用於保存試劑的試劑容器10和用於輸送來自容器10的試劑的輸送模塊12。所述試劑可以是尿素溶液、碳氫化合物、烷基酯、醇、有機化合物、水或類似物，且可以是混合物或它們的組合。還應理解，在本系統中，一種或多種試劑可以是可用的，並且可以單獨使用或組合使用。容器10和輸送模塊12可以形成集成的試劑容器/輸送模塊。此夕卜，被提供作為系統8的一部分的是電子噴射控制器14、試劑噴射器16和排氣系統19。排氣系統19包括排氣管道18，其將排氣流提供給至少一個催化劑床17。輸送模塊12可以包括泵，所述泵通過供給線9供給來自容器10的試劑。試劑容器10可以是聚丙烯、聚氯乙烯、環氧樹脂塗覆的碳鋼、PVC或不鏽鋼製成，且可以根據應用(例如，車輛尺寸，車輛的預期用途等)製成尺寸。壓力調節器(未示出)可以被提供以將系統維持在預定的壓力設定值(例如，約60-80磅/每平方英寸(PSi)的相對低的壓力，或在某些實施方式中約60-150psi的壓力)，且可被距離試劑噴射器16定位在返回線35中。壓力傳感器可被設置在通往試劑噴射器16的供給線9中。所述系統還可包括各種防凍方法以解凍凍結的試劑或防止試劑凍結。在系統運行期間，無論噴射器是否正在將試劑釋放到排氣氣體中，試劑都可以在容器10和試劑噴射器16之間連續循環，以冷卻噴射器並最小化噴射器中的試劑的停留時間，使得試劑保持冷卻。連續的試劑循環對於溫度敏感的試劑可能是必要的，例如尿素水，當暴露在300°C到650°C的升高溫度下時，其傾向於固化，正如將在發動機排氣系統中所經歷的。此外，可以可取的是將試劑混合物保持在低於1400C且優選在5°C至95°C之間的較低的工作範圍內，以確保防止試劑的固化。如果允許形成，則固化的試劑可以弄髒噴射器的運動部分和開口。所需的試劑的量可隨負載、發動機RPM、發動機速度、排氣溫度、排氣流量、發動機燃料噴射時間、所需的NOx減少、氣壓、相對溼度、EGR率和發動機冷卻液溫度而變化。NOx傳感器或儀表25被定位在催化劑床17的下遊。NOx傳感器25可操作來將指示排氣NOx含量的信號輸出到發動機控制單元27。發動機運行參數中的全部或某些可通過發動機/交通工具數據總線從發動機控制單元27供給到試劑電子噴射控制器14。試劑電子噴射控制器14還可被包括為發動機控制單元27的一部分。排氣溫度、排氣流量和排氣背壓及其它交通工具運行參數可由相應的傳感器測量。現參照圖2-8，排氣處理組件100被定義為包括排氣管道18和噴射器16。排氣管道18包括限定排氣通道104的大致柱形的管102。柱形的管102包括內表面106和外表面108。
噴射器16包括限定了柱形腔152的主體150，所述柱形腔152接收軸向可平移的閥構件154。主體150包括出口孔156作為噴射試劑的排出位置。閥座146靠近出口孔156形成，出口孔156由閥構件154選擇性地接合以控制試劑注入到排氣流路中。閥構件154沿試劑噴射的軸線158是可平移的。適配器159被固定到主體150，且包括徑向向外延伸的凸緣160。防渦流器162可以插在凸緣160和外表面108之間。夾具(未示出)或一些其它合適的聯接裝置將凸緣160和防渦流器162固定到管102。防渦流器162包括固定到擴口管172的安裝部170。安裝部170包括固定到凸緣176的大致柱形形狀的中空主體174。洞178延伸穿過凸緣176和主體174，且由內部的大致柱形形狀的表面180限定。主體174還包括外部的柱形形狀的表面182。窗口部184被定位在主體174的與凸緣176相對的端部。窗口部184由第一軸向延伸面186以及第二軸向延伸面188限定。圓周地延伸的端面190互連第一軸向延伸面186與第二軸向延伸面188。圓周的端面190從主體174的終端端面192偏移。可以設想，端面190是大致平行於端面192延伸的彎曲表面。更具體地，端面190是輕微拱形的，其中窗口部184在第一軸向延伸面186和第二軸向延伸面188之間的圓周的中點處的高度196在最大值處。擴口管172優選被構造為具有外表面200和內表面202的薄壁型金屬構件。表面200、202可被成形為具有拋物線、錐形或某些其它幾何形體的擴口表面。擴口管172包括第一端部或自由端部204和第二端部206。擴口管172被定位在洞178內，使得擴口管172的端部206軸向突出最小的量，超出端面192。在第二端部206處，外表面200徑向向外擴張以限定略大於洞178的最大直徑。因此，當擴口管172被插入洞178內時，端面192的內邊緣接合擴口管172的表面200。擴口管172在這個位置處通過合適的工藝例如焊接被固定到安裝部170。擴口管172的包括自由端部204的其餘部分與安裝部170間隔開。在擴口管172被固定到安裝部170時，主體174和擴口管172的一部分被除去。切割或磨削工藝可有效地除去主體174的一部分和擴口管172的一部分以定義孔210。由於表面200的錐形形狀和孔178的柱形形狀，排放通道212被形成。排放通道212從窗口部184、沿外表面200延伸並繼續延伸至孔210。如圖3所示，防渦流器162被取向為將窗口部184定位在流經排氣管道18的排氣流內的上遊位置以及將孔210定位在流經排氣管道18的排氣流內的下遊位置。窗口部184基於窗口部184的上遊位置將擴口管172的一部分暴露到排氣流。因為擴口管172在其長度的大部分上與柱形管102間隔開，所以窗口部184和外表面200充當吸入口(scoop)，以將排氣流的一部分引導到防渦流器162中。排氣流中的某些沿排放通道212(圖4和圖5)移動。排氣流的另一部分沿標識在引用標號213 (圖9)處的第二通道移動。如在圖8中最佳示出的，適配器159包括從凸緣160軸向延伸進入到洞178中的凸臺214。洞216延伸穿過凸臺214以允許所噴射的試劑流入到排氣通道104中。半環形表面218形成在凸臺214的底部上，並與自由端部204間隔開以限定通道213的一部分。通道213從窗口部184、沿外表面200、繞過第一端部204、跨越整個內表面202延伸，並繼續延伸至第二端部206。通道213沿第一端部204的整個周界延伸。在發動機21的運行期間，燃燒產生流經排氣管道18的排氣流。當電子控制器14確定試劑噴射應該發生時，軸向可移動的閥構件154被移位以允許加壓的尿素從出口孔156噴射穿過洞216和擴口管172進入到排氣流路中。圖9描繪了與防渦流器162的使用相關聯的排氣流和所噴射的試劑的速度分布。基於在圖中所描繪的速度分布，應理解，由噴射器16所提供的試劑被噴射穿過適配器159和安裝部170，以被夾帶在向下流經擴口管172的排氣流中。基於防渦流器162的幾何形狀，試劑和排氣氣體的充分混合發生，以最小化安裝部170和出口孔156處或附近的試劑的沉積。為了說明和描述的目的，實施方式的上述描述已被提供。上述描述不旨在是窮盡的或限制本公開。特定實施方式中的單個單元或特徵通常不限於該特定實施方式，而是，在適用的情況下，是可互換的且可被用在所選擇的實施方式中，即使未被特別示出或描述。同一實施方式還可以以許多方式改變。這樣的改變不應視為脫離本公開，而且旨在將所有這樣的修改包括在本公開的範圍內。
權利要求
1.一種用於減小來自發動機的排放物的排氣處理系統，所述系統包括: 排氣處理裝置； 排氣管道，其適合於將來自所述發動機的排氣流供給到所述排氣處理裝置，所述管道包括孔； 噴射器，其用於將試劑噴射通過所述孔並進入到所述排氣流中；以及防渦流器，其包括具有延伸穿過所述孔的柱形套筒的安裝部，以及固定到且定位在所述柱形套筒內的擴口管，其中窗口部延伸穿過所述柱形套筒的上遊部分，使得將所述擴口管暴露於所述排氣流，所述套筒包括與所述窗口部流體連通的下遊孔。
2.如權利要求1所述的排氣處理系統，其中所述擴口管包括與所述套筒間隔開的自由端部，所述排氣流的一部分流過所述自由端部。
3.如權利要求2所述的排氣處理系統，其中所述噴射器是可操作的以將試劑噴射通過所述套筒和所述擴口管。
4.如權利要求2所述的排氣處理系統，其中所述擴口管的所述自由端部包括大致圓柱形的形狀。
5.如權利要求4所述的排氣處理系統，其中所述擴口管的擴口端部與所述自由端部相對而定位，且包括所述管的最大外直徑部分。
6.如權利要求5所述的排氣處理系統，其中所述擴口端部的外直徑大於所述套筒的內直徑。
7.如權利要求1所述的排氣處理系統，其中所述窗口部和所述擴口管的暴露部分充當吸入口，使得沿第一通道和第二通道弓I導所述排氣流。
8.如權利要求7所述的排氣處理系統，其中所述第一通道從所述窗口部、沿所述擴口管的外表面延伸並延伸到所述下遊孔。
9.如權利要求8所述的排氣處理系統，其中所述第二通道從所述窗口部、越過所述管的外表面、繞過所述管的所述自由端部並穿過所述管延伸至所述管的所述擴口端部。
10.如權利要求1所述的排氣處理系統，其中所述防渦流器改變所述排氣流以將試劑分散到所述排氣流中且最小化靠近所述安裝部的試劑沉積。
11.一種用於排氣處理系統的排氣流防渦流器，所述排氣處理系統包括排氣管道和噴射器，所述噴射器用於將試劑噴射到排氣流中，所述防渦流器包括: 安裝部，其適合於將所述噴射器固定到所述管道，所述安裝部包括柱形套筒和凸緣，所述柱形套筒適合於被定位在所述排氣流內； 管，其被定位在所述柱形套筒內，所述管具有被固定到所述套筒的擴口端部，且具有與所述套筒間隔開的自由端部，其中窗口部延伸穿過所述柱形套筒的上遊部分，使得將所述擴口端部暴露於所述排氣流，所述套筒還包括下遊孔； 第一通道，其接收所述排氣流，所述第一通道在所述窗口部和所述下遊孔之間延伸；以及 第二通道，其接收所述排氣流，所述第二通道從所述窗口部、越過所述管的外表面、繞過所述管的所述自由端部且穿過所述管延伸至所述擴口端部。
12.如權利要求11所述的排氣流防渦流器，其中所述凸緣適合於被固定到所述管道。
13.如權利要求11所述的排氣流防渦流器，其中所述擴口管的所述自由端部包括大致圓柱形的形狀。
14.如權利要求13所述的排氣流防渦流器，其中所述管的擴口端部包括所述管的最大外直徑部分。
15.如權利要求14所述的排氣流防渦流器，其中所述擴口端部的外直徑大於所述套筒的內直徑。
16.如權利要求11所述的排氣流防渦流器，其中所述窗口部和所述擴口管的暴露部分充當吸入口，使得沿所述第一通道和所述第二通道引導所述排氣流。
17.如權利要求11所述的排氣流防渦流器，其中所述第二通道包括所述管的所述自由端部的整個周界。
18.如權利要求11所述的排氣流防渦流器，其中所述第一通道和所述第二通道相互連通。
19.如權利要求11所述的排氣流防渦流器，其中所述第二通道包括與所述管的所述自由端部間隔開且與所述管的所述自由端部同軸地對準的環面形表面。
全文摘要
一種用於減小來自發動機的排放物的排氣處理系統，包括適合於將來自發動機的排氣流供給到排氣處理裝置的排氣管道。噴射器通過管道中的孔將試劑噴射到排氣流中。防渦流器包括具有延伸穿過所述孔的柱形套筒的安裝部，以及固定到且定位在柱形套筒內的擴口管。窗口部延伸通過柱形套筒的上遊部分，使得將擴口管暴露於排氣流。所述套筒包括與窗口部流體連通的下遊孔。
文檔編號B01D53/94GK103210192SQ201180050557
公開日2013年7月17日 申請日期2011年10月18日 優先權日2010年10月19日
發明者賴安·A·弗洛伊德, 約瑟夫·G·拉爾夫, 克裡斯多佛·J·柯菲德, 詹姆斯·J·雷諾茲Iii, 拉裡·J·吉爾, 馬努基·K·薩姆帕思, 麥可·L·薩烏茲, 羅伯特·P·M·科勞特, 裡克·S·G·巴爾, 約翰尼斯·P·M·斯穆勒, 埃裡克·凡·登·提拉特 申請人:田納科汽車營運公司