具有均衡的流量分配的流體噴槍的製作方法
2023-09-10 10:24:30
具有均衡的流量分配的流體噴槍的製作方法
【專利摘要】一種配置成將還原劑引入排氣流的噴射器，該噴射器包括：主體，該主體包括具有第一直徑的通道；噴嘴(162)，該噴嘴流體連接到該通道並且設置在主體的遠端處；和從主體的遠端延伸出來的延伸部，該延伸部從主體的遠端延伸至少等於第一直徑的距離。
【專利說明】具有均衡的流量分配的流體噴槍
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種排氣系統，且更具體地涉及一種後處理模塊和流體噴槍。
【背景技術】
[0002]包括柴油發動機、汽油發動機、氣態燃料動力發動機和本領域中已知的其它發動機的內燃機產生排氣(廢氣)和顆粒物的複雜混合物。排氣的成分可尤其包括氮氧化物(NOx)。廢氣排放標準變得日益嚴格，並且發動機排放到大氣的NOx的量可根據發動機的類型、尺寸和/或等級而定。
[0003]為了減少NOx，一些發動機製造商已實施稱為選擇性催化還原(SCR)的策略。SCR是排氣後處理過程，其中最常見為尿素(NH2)2CO或水、尿素溶液的還原劑被選擇性地噴射到發動機的排氣流中並被吸附在下遊基板上。所噴射的尿素溶液分解成氨(NH3),其與排氣中的NOx反應而形成水(H2O)和雙原子氮(N2)。
[0004]為了使NOx的轉化效率最大化，還原劑應該均勻地分散在排氣流中。這可由於對後處理模塊的尺寸的限制而成問題。亦即，由於考慮到包括後處理模塊的動力系統的包裝，噴射器與下遊基板之間的排氣管長度可能相對較短。因而，有益的是實現還原劑在短距離的均勻分布以確保還原劑在下遊基板上的均勻分布。
[0005]美國專利US7，784，276公開了一種排氣淨化器和用於該排氣淨化器的方法。
【發明內容】
[0006]一種配置成將還原劑導入排氣流的噴射器，該噴射器包括:主體，該主體包括具有第一直徑的管道；噴嘴，該噴嘴與管道流體聯接並且設置在主體的遠端處；和從主體的遠端延伸出來的延伸部，該延伸部從主體的遠端延伸至少等於第一直徑的距離。
[0007]本發明的其它特徵和方面將從下文的描述和附圖而顯而易見。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008]圖1是所公開的動力系統的一個實施例的側視圖；
[0009]圖2是所公開的動力系統的後處理模塊的一個實施例的等軸側剖視圖；
[0010]圖3是所公開的動力系統的後處理模塊的實施例的擴散器、還原劑噴槍組件和混合管道的第一實施例的俯視平面圖；
[0011]圖4是所公開的後處理模塊的擴散器、還原劑噴槍組件和混合管道的第一實施例的側視圖；
[0012]圖5是所公開的系統的混合管道和還原劑噴槍組件的第一實施例的局部剖視圖；
[0013]圖6是所公開的系統的混合管道和還原劑噴槍組件的第二實施例的局部剖視圖；
[0014]圖7是所公開的系統的混合管道和還原劑噴槍組件的第三實施例的局部剖視圖；
[0015]圖8是所公開的系統的混合管道和還原劑噴槍組件的第四實施例的側視圖；以及
[0016]圖9是沿所公開的系統的混合管道和還原劑噴槍組件的第四實施例的沿圖8的線 9-9截取的截面圖。
【具體實施方式】
[0017]圖1示出示例性動力系統10。出於本發明的目的，動力系統10被示出和描述為包括由多氣缸內燃機14提供動力的發電機12的發電機組。發電機12和發動機14通常可通過框架16聯接。然而，設想如果需要的話，動力系統10可實施為另一類型的動力系統，例如包括與移動式機器如機車或靜止機器如泵相關的柴油發動機、汽油發動機或氣態燃料動力的發動機的動力系統。
[0018]動力系統10內可包括多個單獨的子系統以促進產生動力。例如,動力系統10可尤其包括進氣系統18和排氣系統20。進氣系統18可配置成將空氣或空氣/燃料混合物引入動力系統10的燃燒室內以隨後燃燒。排氣系統20可處理燃燒過程的副產品並將其排出到大氣。進氣系統18和排氣系統20可經由一個或多個渦輪增壓器21彼此機械地聯接。
[0019]排氣系統20可包括調節排氣和將排氣從發動機14的氣缸引導到大氣的構件。例如，排氣系統20可包括與發動機14的氣缸流體連接的一個或多個排氣通路22、由流過排氣通路22的排氣驅動的渦輪增壓器21的一個或多個渦輪、以及連接成接收和處理流過渦輪增壓器21的一個或多個渦輪之後來自排氣通路22的排氣的後處理模塊24。隨著離開發動機14的氣缸的熱排氣移動通過一個或多個渦輪並靠著其葉片(未示出)膨脹，一個或多個渦輪可旋轉並驅動進氣系統18的渦輪增壓器21的一個或多個壓縮機以對進氣加壓。後處理模塊24可在排氣排出到大氣之前處理、調節和/或以其它方式減少由發動機14產生的排氣的成分。
[0020]如圖2所示，後處理模塊24可包括基部支承件30、大體盒狀殼體32 (其構件圖示為透明的以清楚地顯示後處理模塊24的內部元件)、一個或多個入口 34和一個或多個出口36 (也在圖1中示出)。基部支承件30可由例如低碳鋼製成，並剛性地連接到動力系統10的框架16 (參照圖1)。殼體32可由例如焊接的不鏽鋼製成，並以使得當殼體32暴露於升高的溫度時殼體32可以相對於基部支承件30以一定程度熱膨脹的方式連接到基部支承件30。入口 34和出口 36可在殼體32的一端定位成使得排氣流可沿大致垂直於進入殼體32的排氣流的方向離開殼體32。入口 34能可操作地聯接到排氣通路22(參照圖1)，而出口36能可操作地聯接到通往大氣的通路，例如，通往外部空間(未示出)的附加排氣管。一個或多個檢修窗，例如一對氧化催化器/催化劑(catalyst)檢修窗40和一對SCR催化器檢修窗42，可位於殼體32上的有意義位置以提供通往後處理模塊24的內部構件的維修通道。
[0021]後處理模塊24可容納多個排氣處理裝置。例如，圖2將後處理模塊24圖示為容納由一排或多排柴油機氧化催化器(「D0C」)44的第一後處理裝置、由還原劑計量供給裝置46組成的第二後處理裝置和由一排或多排SCR催化器48組成的第三後處理裝置。可以想到後處理模塊24可按需包括數量更多或更少的本領域中已知的任何類型的後處理裝置。D0C44可位於入口 34的下遊和擴散器50的上遊。
[0022]排氣經由入口 34進入後處理模塊24。排氣進入D0C44。在通過D0C44和擴散器50之後，排氣經混合管道51暴露於還原劑計量供給裝置46。在經過還原劑計量供給裝置46之後，排氣流過SCR催化器48。接下來，排氣可在經出口 36離開後處理模塊24之前流過淨化催化器(未示出)。
[0023]D0C44可各包括多孔陶瓷蜂巢結構、金屬網、金屬或陶瓷泡沫、或塗有或以其它方式包含催化材料如貴金屬的另一種合適的基板，所述催化材料催化化學反應以改變通過D0C44的排氣的組分。在一個實施例中，D0C44可包括有利於NO轉化為NO2的鈀、鉬、釩或它們的混合物。在另一實施例中，D0C44可替換地或附加地執行微粒捕集功能(即，D0C44可以是催化微粒收集器)、烴還原功能、一氧化碳還原功能和/或本領域中已知的其它功能。
[0024]在所示的實施例中，單獨的三排DOC被公開為布置成從一對入口 34並列接收排氣。每排D0C44可包括前後布置並且配置成從入口 34接收排氣的兩個或更多個載體(substrate)。在一個示例中，如果需要的話,單排D0C44的載體之間可存在一定空間，該空間同時促進排氣分配和聲衰減。可以想到在後處理模塊24內可按需採用包括任何數量前後或並列布置的任何數目的載體的D0C44。
[0025]混合管道51具有與D0C44的輸出端流體連通的上遊開口端52和與一排或多排SCR催化器48流體連通的下遊端53。在所示的實施例中，擴散器50構造為圓柱體，該圓柱體具有設置在其位於混合管道51的遠側的一端上的翼板型擴散部件，不過可利用本領域中已知的任何擴散器幾何形狀。在圖2的配置中，擴散器50可配置成跨混合管道51的上遊開口端52以大致均勻的方式分配排氣。還原劑噴槍組件54可布置在上遊開口端52處、內或附近並且配置成將還原劑噴射到流過混合管道51的排氣中。氣態或液態還原劑，最常見為水/尿素溶液、氨氣、液化無水氨、碳酸銨、氨合物鹽或諸如柴油機燃料的烴，可被噴灑或以其它方式送入到通過混合管道51的排氣中。
[0026]還原劑噴槍組件54可位於SCR催化器48上遊的一定距離處和混合管道51的入口部分處，以允許所噴射的還原劑有足夠的時間與來自動力系統10的排氣混合併在進入SCR催化器48之前充分地分解。亦即，充分分解的還原劑在通過SCR催化器48的排氣內的均勻分布可增強其中的NOx還原。還原劑噴槍組件54與SCR催化器48之間的距離可增強其中的NOx還原。還原劑噴槍組件54與SCR催化器48之間的距離(即，大致混合管道51的長度)可基於離開動力系統10的排氣的流量和/或混合管道51的截面積。在圖2和3所示的示例中，混合管道51可沿殼體32的大部分長度延伸，其中還原劑噴槍組件54位於上遊開口端52。如圖5-7更詳細地示出的，混合管道51可以是具有內徑55和外徑56的管道。還原劑噴槍組件54可配置成提供有益的流動特性，如將參照圖3-9更詳細地說明的。
[0027]各SCR催化器48的形狀、尺寸和組分可大致相同。特別地，各SCR催化器48可包括大體圓柱形基板，該基板由陶瓷材料如二氧化鈦、鹼金屬氧化物如釩和鎢、沸石和/或稀有金屬製成或以其它方式塗有這些材料。通過該構成，流過混合管道51的排氣內夾帶的分解的還原劑可被吸附到各SCR催化器48的表面上和/或被吸附到其內，在此還原劑可與排氣中的NOx (NO、NO2或這兩者)反應而生成水(H2O)和雙原子氮(N2)。
[0028]圖3-5示出所公開的動力系統10的後處理模塊24的實施例的擴散器50、還原劑噴槍組件54和混合管道51的第一實施例。圖5示出了從混合管道51朝還原劑噴槍組件54看的混合管道51和還原劑噴槍組件54的第一實施例的局部剖視圖。還原劑噴槍組件54和混合管道51——包括上遊開口端52和下遊端53——共同形成還原劑計量供給裝置46。還原劑噴槍組件54包括槍體60、噴嘴62和槍延伸部64。
[0029]噴槍60可包括延伸穿過其中以向噴嘴62傳送還原劑的內部還原劑通道(在圖9中示出)；亦即，槍體60可以是中空的，具有外徑61和內徑63(在圖9中示出)。還原劑通道可具有基於動力系統10的具體應用和後處理模塊24的期望性能根據期望的還原劑流量確定的預定直徑。在一個實施例中，還原劑通道的直徑可以是2.5cm。槍體60隨縱向軸線沿第一方向66延伸。
[0030]噴嘴62在槍體60的遠端處大致垂直於槍體60的縱向軸線延伸。亦即，噴嘴62從槍體60向下遊延伸到排氣流中。噴嘴62從槍體60接收還原劑並且將還原劑噴射到在混合管道51內流動的排氣中。在一個實施例中，噴嘴62可被構造為空氣輔助的噴嘴，使得空氣或其它氣體與還原劑的組合噴射到排氣中。在一些實施例中，還原劑的空氣輔助的噴射提供了增加還原劑流量和沿混合管道51分散還原劑的優點；然而，替代實施例包括其中省略了空氣輔助的噴射並且還原劑專門經由替代裝置如還原劑泵供給的構型。在一些實施例中，在噴槍60下遊垂直地配置噴嘴62提供了還原劑隨著噴嘴62移動遠離槍體60所產生的排氣中的湍流尾流而分散的優點。如果噴嘴62要形成在槍體60本身中，則該湍流尾流可導致其上形成不期望的沉積物，這可能引起流過其中的還原劑的減少。在一個實施例中，噴嘴62可以是單個噴嘴62。在這種實施例中，噴嘴62可在混合管道51內居中。在另一實施例中，噴嘴62可包括多於一個噴嘴62。
[0031]槍延伸部64從槍體60延伸出來。在一個實施例中，槍延伸部65大致平行於第一方向66延伸。替代實施例包括多種構型，其中槍延伸部64沿不同方向、例如相對於槍體60成一定角度的方向延伸，例如成一定角度延伸到排氣流中或成一定角度朝混合管道51延伸。如圖3-5所示，槍體60延伸到噴嘴62，而槍延伸部64延伸超過噴嘴62。槍延伸部64可從槍體60延伸至少等於槍體60的內部還原劑通道的預定直徑的距離。當槍延伸部64延伸到該距離或超出該距離時，可實現還原劑與排氣的改善的混合，如下文更詳細地說明的。在一個實施例(未示出)中，槍體60和槍延伸部64可共同延伸大致等於混合管道51的基本整個內徑55的距離。
[0032]在一個實施例中，槍延伸部64可與槍體60的內部還原劑通道流體聯接；亦即，槍延伸部64還可包括裝在槍體60在第一方向66上的最遠延伸處的內部還原劑通道(未不出)。在一個替代實施例中，槍延伸部64可與槍體60流體隔離成使得槍延伸部64不包括內部還原劑通道且槍延伸部64可以是中空的或實心的。
[0033]參照圖3-5，還原劑噴槍組件54可穿過殼體32中的通孔70聯接到後處理模塊24。通孔70可配置成形狀與還原劑噴槍組件54的橫截面大致相同，使得還原劑噴槍組件54可穿過其中而插入後處理模塊24。在一個實施例中，還原劑噴槍組件54可聯接到端板/集管(header) 72。端板72可將後處理模塊24密封成使得排氣不會經由通孔70離開。端板72還可與還原劑噴槍組件54的槍體60的內部還原劑通道流體聯接。在端板72上可配置有用於向槍體60的內部還原劑通道供給還原劑的連接埠 74。
[0034]圖6示出從混合管道51朝還原劑噴槍組件154看還原劑噴槍組件154的第二實施例和混合管道51的局部剖視圖。還原劑噴槍組件154包括槍體160、噴嘴162和槍延伸部164，與前面的實施例相似，並且還包括聯接到槍體160並沿大致垂直於第一方向66的第二方向68延伸的橫向構件167。橫向構件167可提供還原劑與排氣的改善的混合,如下文更詳細地說明的。
[0035]圖7示出從混合管道51朝還原劑噴槍組件254看還原劑噴槍組件254的第三實施例和混合管道51的局部剖視圖。還原劑噴槍組件254包括槍體260、噴嘴262和槍延伸部264，與前面的實施例相似，並且還包括聯接到槍體260的環形混合器267。在一個實施例中，環形混合器265布置成環形混合器267的中心與噴嘴262的中心軸向對準。環形混合器267可提供還原劑與排氣的改善的混合，如下文更詳細地說明的。
[0036]圖8是從混合管道51朝還原劑噴槍組件354看所公開的系統的還原劑噴槍組件354的第四實施例和混合管道的側視圖。圖9是沿圖8的線9-9』截取的剖視圖。還原劑噴槍組件354包括槍體360、噴嘴362和槍延伸部364，與前面的實施例相似，並且還包括聯接到槍體360的擋板367。在一個實施例中，擋板367聯接到槍體360和槍延伸部364中的至少一者。實施例包括其中擋板367可與槍體360和槍延伸部364分開形成的構型和其中擋板367可形成為槍體360、槍延伸部364或兩者的單個、整體和不可分的構件的構型。擋板367設置成控制通過其中的排氣的流量，例如，在一個實施例中，擋板367可減少通過其中的排氣中的瑞流。在一個實施例中，擋板367和槍體360和/或槍延伸部364共同形成淚滴形的截面。擋板367提供還原劑與排氣的改善的混合，如下文更詳細地說明的。
[0037]雖然以上說明以描述還原劑噴槍組件54、154、254和354的四個實施例，但將前面的實施例的多個方面的相結合的其它實施例也處在本發明的範圍內。例如，本發明的另一實施例可包括布置在環形混合器267或橫向構件167上的擋板367。類似地，橫向構件167可與環形混合器267等相結合。這些構型的益處在下文中更詳細地說明。
[0038]工業話用件
[0039]本發明的後處理模塊24可適用於其中期望排氣調節的任何動力系統10。後處理模塊24包括還原劑噴槍組件54、154、254和/或354中的至少一者。多個實施例提供了還原劑與排氣的改善的混合，如下文更詳細地描述的。
[0040]當動力系統10運轉時，排氣通過後處理模塊24以進行如上所述的處理，後處理模塊24包括還原劑計量供給裝置46和SCR催化器48。排氣通過還原劑計量供給裝置46並且將所噴射的還原劑攜帶到SCR催化器48上。為了使SCR催化器48的效率最大化並使實現所有SCR催化器48的良好飽和所需的還原劑的總量，期望還原劑跨各SCR催化器48的大致均勻的分布。然而，在排氣流中布置諸如還原劑噴射器的構件可引起未在混合管道51的長度內有效地分散的流中的不平衡。這種現象可引起還原劑在SCR催化器48上的不均勻分布。
[0041]在其中還原劑噴槍組件(未示出)省略槍延伸部的一個構型中，流過槍體的最遠側部分的排氣可引起非希望的渦旋脫落，其使所噴射的還原劑偏向混合管道51的還原劑噴槍組件54、154、254和/或354從其延伸的一側。在這種構型中，可觀察到催化器之間高達20%的可變性。然而，在包括槍延伸部64、164、264或364的實施例中，非希望的渦旋脫落可被減少、消除或明顯移動離開噴嘴62、162、262或363，從而減少或消除還原劑從噴嘴62、162、262 或 362 的偏轉。
[0042]具體參照圖3-5和還原劑噴槍組件54的第一實施例,槍延伸部64配置在槍體60的遠端，並且在一個實施例中，從槍體60延伸至少等於槍體60的內部還原劑通道的直徑的距離。如果槍延伸部64延伸明顯小於該量，則還原劑從噴嘴62的偏轉的減少可能不會導致還原劑明顯更均勻地分布在催化器48上。然而，隨著槍延伸部64的長度增加，可觀察到引起還原劑在催化器48上更均勻的分布的還原劑從噴嘴62的偏轉的減少的相應增加。[0043]類似地，參照圖6-9，還原劑噴槍組件154、254和354還包括槍延伸部164、264和364。此外，各還原劑噴槍組件154、254和354包括用於改善還原劑與排氣的混合的附加特徵。參照圖6，橫向構件167存在排氣流的尾流，其與槍延伸部164的尾流的相似之處在於，從與槍體160、槍延伸部164和橫向構件167的布置在噴嘴162的相對側的兩個部分對應的至少四側在噴嘴162處存在相似的排氣流特性。參照圖7，環形混合器267類似地存在排氣流的尾流，其允許排氣從多側、例如圍繞噴嘴262的圓周在噴嘴262上更均勻的流動。亦即，環形混合器267可配置成其中心與噴嘴262的中心軸向對準。參照圖8和9，擋板367提供這樣的表面，其允許排氣在第三方向69上沿其呈層狀流動。這種擋板可減輕由於排氣在第二方向上的速率的變動而導致的還原劑沉積的不均勻性。擋板367對流過其的排氣施加平滑效應。
[0044]本發明還存在配置成將還原劑引入排氣流中的噴槍組件54、154、254和354的實施例，噴槍組件154、254和354包括:槍體60、160、260和360 ;與槍體60、160、260和360流體聯接且配置在其遠端的噴嘴62、162、262和362 ；以及從槍體60、160、260和360的遠端延伸的槍延伸部64、164,264和364，槍延伸部64、164,264和364配置成使流過噴嘴62、162、262和362的排氣在至少兩個方向上的速率相等。亦即，槍延伸部64、164、264和364配置成使得流過噴嘴62、162、262和362的排氣更均勻，例如，來自與槍體60、160、260和360對應的方向的流速大致等於來自與槍延伸部64、164、264和364對應的方向的流速。包括橫向構件167的實施例可使流過噴嘴162的排氣在至少四個方向上的速率相等。包括環形混合器267的實施例可使流過噴嘴262的排氣在大致所有方向上的速率相等。
[0045]對本領域的技術人員來說顯而易見的是，可以對本發明的排氣系統20和後處理模塊24作出各種修改和變更而不脫離本發明的範圍。根據本說明書以及對本文中公開的系統和模塊的實踐，其它實施例對本領域的技術人員來說將顯而易見。所有說明和示例都應當被認為僅僅是示例性的，本發明真正的範圍由下文的權利要求及其等同方案指出。
【權利要求】
1.一種配置成將還原劑引入排氣流的噴射器，所述噴射器包括: 主體，所述主體包括具有第一直徑的通道； 噴嘴(162)，所述噴嘴流體連接到所述通道並且設置在所述主體的遠端；和 從所述主體的遠端延伸出來的延伸部，所述延伸部從所述主體的遠端延伸至少等於所述第一直徑的距離。
2.根據權利要求1所述的噴射器組件，其中，所述主體沿第一方向(66)延伸且所述延伸部沿大致平行於所述第一方向(66)的第二方向(68)延伸。
3.根據權利要求2所述的噴射器組件，還包括橫向構件(167)，該橫向構件聯接到所述主體並沿大致垂直於所述第一方向(66)的第三方向(69)延伸。
4.根據權利要求2所述的噴射器組件，還包括聯接到所述主體的環形混合器(267)。
5.根據權利要求4所述的噴射器組件，其中，所述環形混合器(267)布置成所述環形混合器(267)的中心與所述噴嘴(162)的中心軸向對準。
6.根據權利要求1所述的噴射器組件，其中，所述主體和所述延伸部中的至少一者包括淚滴形的截面。
7.根據權利要求1所述的噴射器組件，其中，所述延伸部與所述主體流體隔離。
8.一種用於處理內 燃機(14)的排氣的成分的後處理模塊(24)，所述後處理模塊(24)包括: 殼體(32)； 布置在所述殼體(32)內的噴射器，所述噴射器包括: 主體，所述主體聯接到所述殼體(32)並且包括具有第一直徑的通道； 噴嘴(162)，所述噴嘴流體聯接到所述主體的通道並且設置在所述主體的遠端處；和從所述主體的遠端延伸出來的延伸部，所述延伸部從所述主體的遠端延伸至少等於所述第一直徑的距離；和 混合管道(51)，所述混合管道設置在所述噴射器的下遊並設置在所述殼體(32)內。
9.根據權利要求8所述的後處理模塊(24)，其中，所述主體沿第一方向(66)延伸且所述延伸部沿大致平行於所述第一方向(66)的第二方向(68)延伸。
10.根據權利要求9所述的後處理模塊(24)，其中，所述主體和所述延伸部共同延伸大致等於所述混合管道(51)的整個直徑的距離。
11.根據權利要求9所述的後處理模塊(24)，還包括聯接到所述主體並沿大致垂直於所述第一方向(66)的第三方向(69)延伸的橫向構件(167)。
12.根據權利要求8所述的後處理模塊(24)，其中，所述主體和所述延伸部共同延伸小於與所述混合管道(51)的整個直徑相等的距離。
13.根據權利要求10所述的後處理模塊，還包括端板(72)，該端板流體連接到所述噴射器的所述主體的內部還原劑通道。
14.根據權利要求8所述的後處理模塊(24)，其中，所述噴射器布置在所述混合管道(51)內。
15.一種配置成將還原劑引入排氣流的噴射器，所述噴射器包括: 主體； 噴嘴(162)，所述噴嘴流體連接到所述主體並設置在所述主體的遠端；和從所述主體的遠端延伸出來的延伸部，所述延伸部配置成使在至少兩個方向上流過所述噴嘴(162)的排 氣的速率相等。
【文檔編號】B01D53/94GK103998736SQ201280061367
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年12月13日 優先權日:2011年12月15日
【發明者】Y·T·布伊, A·尤亞勒, J·文卡塔拉加萬 申請人:卡特彼勒公司