靜電流體噴射系統的製作方法

2023-05-01 20:10:21

本公開涉及一種用於處理排氣的車輛排氣系統，更具體地，涉及用於改善排氣的nox還原的系統和方法。

背景技術：

在諸如卡車的車輛中，如圖1所示，排氣(它是氣體和微粒物的組合)在釋放到大氣之前在多個階段進行了處理。來自發動機110的排氣可以由柴油氧化催化劑(doc)120處理以除去碳氫化合物，由柴油微粒過濾器(dpf)130處理以除去微粒物，並且由選擇性催化還原裝置(scr)140處理以將nox還原成氮氣和水蒸氣。對於scr140階段，柴油機排氣處理流體(def)被噴射到scr裝置140上遊的排氣中並與該排氣混合。

目前，卡車具有容納def的車載罐。def由約32.5％的尿素和67.5％的軟化水組成。在大多數def噴射系統中，def是通過噴射器輸送的。def輸送噴射器可以具有根據孔口兩端的壓力梯度(噴射器內是高壓，外部是低壓)來霧化流體的多種設計。通過向流體施加大約9巴的壓力來噴射def。此壓力迫使流體通過所述孔進入排氣中，然後該流體在此被霧化。在其他系統中，def在其進入噴嘴之前與壓縮空氣混合以改善霧化。

希望在霧化期間具有較小的(def)液滴尺寸，以提高排氣或該流體的後處理過程的效率和有效性。

技術實現要素：

根據一個示例性實施例，一種流體噴射系統包括：混合室，該混合室能夠位於選擇性催化還原裝置(scr)上遊的排氣管道中，該室提供排氣的流動路徑和用於接收所噴射的流體的空間；噴射器，該噴射器具有布置成一束的多個毛細管，每個毛細管具有入口和出口，其中，該入口被構造為接收用於噴射至所述室中的流體，該噴射器安裝在所述室上，其中所述管的出口與所述室中的空間流體連通；底板，該底板布置在所述室中，與所述布置成一束的多個毛細管間隔開並與所述多個毛細管對準；電壓源，該電壓源連接到所述管和所述底板，其中，該電壓源向所述管和底板提供電荷，以對所述管中的流體產生電場；以及閥，該閥布置在所述室的壁上，用於所述管的填充(prime)和/或吹掃(purge)。

根據另一個示例性實施例，一種流體噴射方法包括以下步驟：接通柴油發動機點火開關；打開與該發動機相關聯的排氣室的出口閥和填充/吹掃閥；對將柴油機排氣處理流體(def)噴射到所述室中的多個毛細管進行填充；關閉所述填充/吹掃閥；打開所述排氣室的入口閥；起動所述發動機；對所述管施加電壓以對所述管中的流體充電；以及，將該帶電流體吸入到所述室中。

附圖說明

通過結合附圖來閱讀本說明書，將會理解示例性實施例的一些特徵、目的和優點。在不同的附圖中，相同的附圖標記表示相同或相似的元件。在附圖中：

圖1示意性地示出了車輛的典型的排氣處理系統；

圖2a和2b示意性地示出了根據示例性實施例的噴射系統；

圖3示出了根據示例性實施例的霧化過程；

圖4示出了在示例性實施例中使用的多個閥的示例性狀態；並且

圖5示出了根據示例性實施例的方法。

具體實施方式

在下文的描述中，給出了許多具體細節以提供對實施例的全面理解。這些實施例可以在沒有一個或多個具體細節的情況下或者用其他方法、部件、材料等來實施。在其他情形中，未詳細示出或描述眾所周知的結構、材料或操作，以避免模糊這些示例性實施例的各個方面。

在整個說明書中提到的「一個示例性實施例」或「多個示例性實施例」是指至少一個實施例中包括所描述的具體特徵、結構或特性。因此，在貫穿本說明書的各個位置上出現這些術語和類似短語並不一定都是指同一實施例。此外，在一個或多個實施例中，特定的特徵、結構或特性可以以任何適當的方式相組合。本文中提供的小標題僅是為了方便起見，並非解釋實施例的範圍或含義。

根據示例性實施例，公開了具有多個毛細管的噴射器。圖2a中示出了噴射器200的一種示例性布置。噴射器200可包括布置成一束(bundle)的多個毛細管202或由所述多個毛細管202構成。毛細管是部分或全部由導電材料製成的薄壁導管。這些管彼此平行地布置。每個管202可以具有入口204和出口206。所述毛細管的內徑可以為大約0.25mm但不超過2.5mm，以利用毛細作用。在本公開中，術語「噴射器」可以與術語「束」或「毛細管束」互換使用。

柴油機排氣處理流體(def)可以從def貯存器或罐250輸送到每個毛細管202的入口端204。排氣通道室280位於dpf290的下遊但在scr295的上遊。噴射器200安裝在室280上，其中，每個毛細管202的出口端206位於室280內。這些出口與室280的內部或內部空間流體連通。室280的直徑可以根據該後處理系統所需的應用而變化。例如，對於大型發動機(例如，卡車的發動機)，該室的內徑將大於乘用車輛(例如轎車)的室的內徑。

底板248安裝在排氣通道室280中，與所述管的出口206間隔開並與所述管的出口206對準。底板248可以由導電材料製成並位於該室的與這些出口相對的內表面上。電壓源240可以連接在底板248與毛細管束200之間。電壓可以施加到該毛細管束和底板，使得該管束形成陽極244，而該底板變成陰極248。如圖所示，該電壓源電路還被接地。

隨著流體進入(並穿過)這些管202，該流體變得帶電並經受電場的作用。陽極244和陰極248之間的庫侖引力使該帶電流體從所述陽極通過出口206向陰極底板248移動。如下文參照圖3描述的，來自出口206的該流體在室280內變得霧化。

圖3中示出了該流體的霧化。如上所述，由於陰極348和陽極344之間的庫侖引力，管302中的該帶電流體流過出口306。由於表面張力、毛細管302的出口306處的靜電力和水動力(hydrodynamicforce)超過閾值電壓，該流體可以形成泰勒錐380，帶電流體382的靜電射流從該泰勒錐380射出。

隨著射流382更接近陰極，它變得不穩定並且霧化成帶電流體的羽霧(plume)386。該霧化流體與流經排氣通道室(即，圖2a的排氣通道室280)的排氣混合。

參照圖2a，通過室280的排氣流可以由蝶閥(bv)210和220控制。在噴射器200上遊的第一蝶閥210(bv1)調節從dpf290流入到室280內的排氣流。在噴射器200下遊的第二蝶閥220(bv2)調節包含與霧化的def混合的排氣的、離開混合室280到scr295中的排氣流。當暴露於排氣的熱量下，該霧化的def分解成co2和nh3。

布置在混合室280的壁上的第三蝶閥230(bv3)可以調節進入混合室中的空氣流。bv3230可以連接到壓力調節裝置，該壓力調節裝置可以是真空源或泵260，該真空源或泵260連接到空氣罐或空氣壓縮機265。

bv3230可以通過改變所述室280中的壓力而選擇性地對噴射器200進行填充(prime)或吹掃(purge)。bv3230可以通過使室280中的空氣壓力相對於大氣壓力降低而對噴射器200進行填充。反過來，bv3230可以通過使室280中的空氣壓力相對於大氣壓力升高而對噴射器200進行吹掃。

在其它實施例中，如圖2b所示，還可以通過使用空氣罐265對def罐250加壓來填充該噴射器。這將與降低混合室280中的壓力具有相同的效果。在本示例性實施例中，第四蝶閥235(bv4)可以調節空氣罐265和def罐250之間的流動。

返回參照圖2a，當發動機點火開關斷開且發動機不起動時(即，點火開關關閉且發動機關閉)，bv1，bv2和bv3全部處於「關閉」位置(即，不允許氣體或空氣流動)。這可以稱為階段1。

當發動機點火開關接通但沒有起動(即，點火開關打開但發動機關閉)時，bv1保持在「關閉」位置，而bv2變到「打開」位置。bv3變到「打開」位置以填充噴射器200。這可以稱為階段2。可以通過將室280中的壓力調節到比def容納罐250中的壓力低的水平來填充噴射器200。該填充使得def從def罐250被抽入到形成噴射器(或束)200的所述多個管202的每一個中。

當發動機開始起動且點火開關接通時(即，點火開關打開且發動機啟動)時，bv1變到打開位置。bv2保持在「打開」位置。隨著噴射器200被填充，bv3變到「關閉」位置。這可以稱為階段3。來自dpf290的排氣進入室280內、與來自噴射器200的霧化的def混合併離開室280到scr295中。

當發動機沒有起動但發動機點火開關仍然接通時(即，點火開關打開但發動機關閉)時，bv1和bv2變到「關閉」位置。bv3變到「打開」位置以噴射器200進行吹掃。這可以稱為階段4。可以通過將室280內的壓力調節到比def容納罐250中的壓力高的水平來吹掃該噴射器。該吹掃使得從每個毛細管202抽空該管束200中的def並迫使def回到def罐250中。從這些管中去除def消除了尿素在所述管中的冷凍或結晶。

當發動機關閉且發動機點火開關斷開時(即，點火開關關閉且發動機關閉)時，bv1和bv2保持在「關閉」位置，而bv3變到「關閉」位置。這可以稱為階段5，它與階段1相同。

圖4的表400中示出了上文參照圖2a描述的每個階段中的、每個蝶閥bv1、bv2和bv3的位置以及發動機點火開關及發動機起動的狀態。

形成噴射器200的所述束中包含的毛細管202的數量可以取決於有效處理排氣所需的def量以及包裝限制。例如，為了滿足所需的例如每秒2克的def流量，假設實現了0.9069的最佳的圓包裝常數(circlepackingconstant)，本文描述的管束可以包括一百六十(160)個獨立的毛細管。包裝常數可以定義為使用面積除以可用面積(包裝常數＝使用面積/可用面積)。

可以影響所述管的數量的其它因素包括(但不限於)：溫度、壓力、電場勢(即，所施加的電壓)、流體汙染物和流體粘度。該電壓是在所述噴射器已被填充之後施加的，並且，def的噴射是所需要或期望的。

參照圖5可以描述根據示例性實施例的方法。為了描述示例性的方法500，閥bv1可以被稱為入口閥，bv2可以被稱為出口閥，而bv3可以被稱為填充/吹掃閥。

在步驟510(階段2)中，可以接通發動機點火開關。出口閥220(bv2)和填充/吹掃閥230(bv3)可以在步驟512中打開。這允許在步驟514中通過減小排氣室280內的空氣壓力來填充管200。可以通過從def罐250吸入流體來填充這些管。填充/吹掃閥230(bv3)可以在步驟516中關閉。入口閥210(bv1)可以在步驟518中打開(bv2220保持打開)。

發動機可以在步驟520中(即階段3)開始起動。在步驟524中，電壓240可以施加到噴射器200以對流體充電。在步驟528中，該帶電流體可以被吸入到室280中。

在步驟530中(階段4)，發動機可以被關閉或停止起動。在步驟532中，可以關閉對管200的電壓供應。在步驟534中，可以關閉入口閥210(bv1)和出口閥220(bv2)。在步驟535中，可以打開所述填充/吹掃閥230(bv3)。在步驟536中，可以對這些管200進行吹掃。在(由所述管組成的)噴射器被吹掃之後，在步驟538中可以關閉所述填充/吹掃閥230(bv3)。在步驟540中(階段5)，可以斷開發動機點火開關。

在此描述的示例性實施例便於產生有利於def與排氣混合的、霧化的柴油機排氣處理流體的有利的小液滴尺寸。可以形成其尺寸(即直徑)為1至100微米的液滴。不認為現有的系統能夠產生具有這種尺寸的液滴。電壓源可以在5伏(v)至200千伏(kv)之間的範圍內。也可以利用這些示例性實施例實現無空氣的尿素計量系統。無空氣系統是指不使用壓縮空氣來促進噴射器孔口兩端的壓降，即，霧化。

儘管已公開了示例性實施例，但對本領域技術人員顯而易見的是，在不背離本發明的精神和範圍的情況下，可以進行各種修改和變型，這些修改和變型將實現實施例的一些優點。這樣的變型旨在被所附權利要求覆蓋，權利要求中的附圖標記不應解釋為對範圍的限制。

在說明書和所附權利要求中，「包括」的含義不應理解為排除了其他元件或步驟。此外，「一」或「一個」並不排除多個，並且，單個單元可以實現權利要求中所述的數種方法的功能。

所示出的實施例的上述描述(包括摘要中描述的內容)並非旨在是窮盡性的或將實施例限制於所公開的精確形式。儘管在此為了說明性目的描述了具體的實施例和示例，但本領域技術人員將會意識到，在不背離本公開的精神和範圍的情況下，可以進行各種等同的修改。

上述各個實施例可以相互組合以提供進一步的實施例。實施例的各個方面可以進行修改，以便在必要時採用各個專利、申請和公告的構思以提供更進一步的實施例。

根據上述的詳細描述，可以對實施例進行這些和其它修改。通常，在所附權利要求中，所使用的術語不應解釋為將權利要求局限於說明書和權利要求書中公開的具體實施例，而應解釋為包括這樣的權利要求的等同形式的整個範圍的所有可能的實施例。因此，權利要求不受本公開內容的限制。