CN101395353A - 封闭容积排气扩散器装置、系统和方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于冷却废气的装置、系统和方法，其包括可操作地连接到柴油发动机或类似物的排气口(110)的入口(140)，以及界定基本上封闭的容积的罩(120)。所述容积的至少部分的截面大于入口(140)的截面，使得废气在从入口(140)进入罩(120)时膨胀。总截面大于入口(140)截面的至少一个出口(130)设置在罩(120)上，并设置成将废气从罩(120)排放到大气。
Description
发明背景
发明领域
本发明涉及排气系统，且更具体地说，涉及用于当废气离开封闭的排气流时冷却废气的装置、系统和方法。
相关技术的描述
本专利申请涉及与本专利申请同一天提交的代理人案号为1900.2.14和委托人案号为8-02-4805的题为“Lobed Exhaust Diffuser Apparatus，System，and Method”的专利申请序列号<系列号>，且其全部内容在此并入本申请。
关于发动机废气排放，如氮氧化物(NOx)及微粒物质的环境管理变得日益严格。在美国，美国环境保护局(the U.S.Environment ProtectionAgency)对于2007年柴油发动机微粒排放开始推行新的更严格的环境管理，这已经引起对柴油微粒过滤器(diesel particulate filter)和/或其他排气处理装置，例如在允许排气进入大气之前被放置在排气流中的NOx吸收器的需要。
在多数情况下，当装置充满煤烟、NOx或类似物时，排气处理系统必须时时开始重建微粒过滤器、NOx吸收器、以及其他排气处理装置。例如，在微粒过滤器的情况下，这通过将过滤器的温度增加到煤烟被氧化的水平，高于400℃，且根据包括过滤器的尺寸、过滤器中煤烟的量、煤烟的均匀程度等的情况将该温度维持数分钟或更久来完成。
重建该类型所需要的高的过滤器温度增加排气的温度，特别是在静止或低速操作时，这意味着排气以比其正常操作期间更高的温度离开交通工具的尾管。对于离开尾管并对附近的人类、动物或植物产生不适或伤害的气体热流，这产生了潜在的安全危险。其还增加了排气系部件(exhaust traincomponent)的表面温度。
解决该问题的一种方法是，在排出的排气温度达到危险水平时警告安装有发动机和排气处理系统的交通工具或机器的操纵者，使操纵者采取措施减轻这种形势，这些措施可能包括将装置从敏感物体移开、开始冷却程序等。但是，这需要专用且昂贵的传感器和控制器、需要操纵者干预，且在任何情况下，操纵者的减缓选择是相对有限的。如果可能，最好是在废气离开尾管之前，或当废气离开尾管时，将废气持续冷却，以使其温度在一开始就不达到危险水平。
当然，处理排气以减小有害结果并不新颖：用于降低声音的消声器和共振过滤器(resonance filter)已经存在了数十年，而且催化剂过滤器(catalyst filter)、微粒过滤器和相似物已经且正被开发，用于物质排放控制(substance emission control)。但是，在排气进入大气时降热的通常问题是相对较新的问题，需要新方法。该问题已经在某些有限情况下得到解决，如当消防车在泵送水时，消防车排气温度的降低。一些消防车(虽然不是全部)在排气出口配备有喷水装置，以冷却排气，但是这种方案限于这样一种情况，即有准备好的的水供给以及手头有水龙头的有经验的消防员，而不是对这种情况没有经验的单个机器操纵者。
从以上论述，很明显，存在当废气离开发动机驱动的机器的尾管时冷却废气的需要，特别是包括柴油发动机和微粒过滤器或需要重建的其他处理装置的机器。不使用上述排放控制装置的某些类型的专业交通工具也可从冷却的废气中获益。
发明内容
响应目前的技术发展水平，且尤其是响应本领域中还没有由目前可用系统完全解决的问题和需要，研制了本发明。因此，本发明被研制，以提供用于冷却废气的装置、系统和方法，这克服了本领域的许多或所有不足。
在本发明的一方面中，用于冷却废气的装置包括可操作地连接到废气源的入口以及界定基本上封闭的容积的罩(housing)。容积的至少部分的截面大于入口的截面。罩设置成通过入口接收废气。在罩上设置有截面(这里指截面面积)大于入口截面的出口，并且该出口设置成将废气从罩排入大气中。在一个实施方案中，出口包括多个出口，其总截面(collectivecross-section)大于入口截面。
在本发明进一步的方面中，冷却废气的方法包括促使气体通过第一通道、促使气体从第一通道进入基本上封闭的容积、使气体在容积内膨胀、并促使气体从封闭的容积通过截面大于第一通道的出口到大气。在一个实施方案中，该方法还包括减慢废气在封闭的容积内的总速度(collectivevelocity)。
在本发明进一步的方面中，柴油发动机排气处理和冷却系统包括基本上包含并引导由发动机产生的废气的排气管以及设置在排气管上的排气处理机构。排气处理机构设置成改变废气的组成。重建机构可操作地连接到排气处理机构，重建机构设置成时时重建排气处理机构。冷却机构设置在排气管上，处于排气处理机构的下游。冷却机构包括基本上封闭的容积，该封闭的容积的一部分的截面大于排气管的截面。冷却机构进一步包括多个出口，废气通过此多个出口进入大气。
贯穿该说明书参考的特征、优点或相似的语言并不意味着可用本发明实现的所有特征和优点应是或是在本发明的任何单独的实施方案中。而是，涉及特征和优点的语言被理解为指的是结合实施方案描述的具体特征、优点或特性包含在本发明的至少一个实施方案中。贯穿该说明书的特征、优点的描述和相似语言可以，但不是必须指相同的实施方案。
本发明描述的特征、优点和特性可在一个或多个实施方案中以任何适当的方式组合。相关领域的技术人员应意识到，本发明可在没有特定实施方案的一个或多个具体特征或优点的情况下实施。在其他情况下，可在特定实施方案中认识到本发明的额外特征和优点，而其可以不存在于本发明的所有实施方案中。从以下描述和所附权利要求中，本发明的这些特征和优点将变得更加充分显而易见，或者可通过实践本发明来了解，如下文阐明的。
附图简述
为了易于理解本发明的优点，通过参考附图中显示的具体实施方案来提供本发明更具体的描述，附图仅描绘了本发明典型的实施方案，且不应被认为限制了本发明的范围，其中：
图1是依据本发明的废气扩散器的一个实施方案的后视图；
图2是图1废气扩散器的侧视图；
图3是图1废气扩散器从上看的示意性透视图，显示了废气流动流线(exhaust gas flow stream line)；
图4是依据本发明的废气扩散器的另一实施方案的透视图；
图5是依据本发明的延伸的废气扩散器实施方案的侧视图；
图6是依据本发明的延伸的废气扩散器另一实施方案的侧视图；
图7是依据本发明的延伸的废气扩散器另一实施方案的侧视图；
图8是图7延伸的废气扩散器的后视图；
图8A是图7延伸的废气扩散器的顶部平面图；
图9依据本发明的延伸的废气扩散器另一实施方案的后视图；
图10A是依据本发明的废气扩散器另一实施方案的顶部平面图，其中扩散器连接到排气处理装置；
图10B是图10废气扩散器的侧视图；
图11A是依据本发明的废气扩散器另一实施方案的侧视图；
图11B是图11A扩散器的顶部平面图；
图11C是图11A扩散器的后视图；
图12是展示了依据本发明方法的一个实施方案的流程图。
发明的详细描述
贯穿该说明书参考的“一个实施方案”、“一实施方案”或相似的语言指的是结合实施方案描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明的至少一个实施方案中。贯穿该说明书出现的短语“在一个实施方案中”、“在一实施方案中”以及相似的语言可以，但不是必须全部指相同的实施方案。
本发明描述的特征、结构或特性可在一个或多个实施方案中以任何适当的方式组合。在下面的描述中，提供多种特定细节，以给予本发明实施方案的全面理解。但是，相关的领域的技术人员将认识到，本发明可在没有一个或多个特定细节的情况下实施，或借助其他方法、部件、材料等实施。在其他方面，公知的结构、材料或操作未详细显示或描述，以避免使本发明的方面不明显。
图1和2示出依照本发明的封闭容积废气扩散器100的一个实施方案，其与排放废气的柴油发动机一起使用，并可操作地连接到柴油发动机。扩散器100包括排气管110和封闭容积罩120，罩120界定延伸立方体(elongated cube)形状的容积。罩120具有以与排气管110轴线方向相同的方向设置在罩120中的三个槽130。与根据本公开内容对本领域的技术人员显而易见的其他修改一起，在其他实施方案中可以有在不同方位的更多或更少的槽。排气管110延伸至罩120内，且开口140通向内部罩容积内，作为其唯一的出口。在一个实施方案中，扩散器100可主要地被看作带有内部和外部结构的罩120，其中排气管110作为扩散器入口，而槽130共同作为扩散器出口。
排气管110的近端150可与排气系的其他部分为一整体，也可连接到现有的一段排气管，或根据需要和特定机器的环境及结构所规定的，直接连接到排气处理装置，排气处理装置改变或提高排气的组成。排气管110可连接到现有的尾管，从而延伸尾管，或者与排气系的其他部分一起构造，使得排气管110和罩120本身共同为初始尾管，在操作中具有相似的结果。重建机构可操作地连接到排气处理装置，以时时重建排气处理装置。
在一个实施方案中，排气管110的直径为4英寸，其是本领域的标准件。在一个实施方案中，罩120为12英寸高、15英寸长及8英寸宽，其中槽130的每个均为12英寸长和1英寸宽，从而形成36平方英寸的总出口面积。可以看到，由槽130界定的出口面积几乎是排气管110截面面积的三倍，具有4英寸直径的排气管约为12.5英寸。此外，可以看到，罩120的容积要比相同高度的排气管110的容积大得多。罩120的尺寸和形状可被改变，以配合5英寸直径的管；根据本公开内容，其他尺寸和形状对本领域的技术人员是显而易见的。
排气管110和罩120由钢或其他适当的材料如铝构成。
在排气系中，扩散器100可在一个或多个排气处理机构、除尘流动装置(aspirating flow apparatus)(在本领域已知的)或其他装置的前面，且可直接连接到上述装置，或通过可变长度的管道与这些装置间隔开。
在操作中，由发动机产生的排气沿箭头160的方向进入排气管110，并从那里通过开口140沿箭头170进入罩120的容积内，在一个实施方案中，与排气管110的直径相比，开口140相对较大。从排气管110的相对较小的容积进入罩120的相对较大的容积，废气在容积中膨胀并减慢。排气一般沿箭头180的方向通过槽130离开罩120，并进入大气。
扩散器100可以图1和2所示方位用于高速公路卡车(on-highwaytruck)，或以相同或不同方位用于其它类型的机器。其尺寸和形状也可根据特定应用的要求进行改变，如可用空间、空气动力学考虑等。主要因素是使废气在封闭容积内膨胀，在一个实施方案中，罩120界定一封闭的容积，且该封闭的容积大于罩入口的可比容积，废气经由一个或多个出口离开罩120，而该一个或多个出口的总截面面积比入口的截面面积大。在一个实施方案中，一个出口或多个出口的截面面积小于罩的至少一部分的截面。
在一个实施方案中，多个出口，如槽130具有增加的总周界，并比，比如，可比面积的单个圆柱出口提供与大气增加的交汇，从而提高大气的夹卷，并扩散和冷却废气。其他实施方案包括单个出口，或包括具有叶瓣(lobe)的单个出口，如以上提到的相关应用中所描述的。
罩120中废气速度的减慢改进夹卷，因为静止的或较慢移动的大气必须获得较小的速度，以追上废气，并夹卷到其中。
图3显示了扩散器100的计算流体动力学(CFD)模型的结果，显示了排气流动流线310。如通过线310的方向和密度可看到的，通过排气管110的废气流通过开口140进入罩120，且在通过槽130排入大气前膨胀到罩120。
图4展示了依照本发明的扩散器400的另一实施方案。扩散器400包括大致圆柱形的入口通道410，废气沿箭头420的方向通过该入口通道410。入口通道410进入并延伸入大致圆柱形的罩430中，使废气通过开口440进入罩430。废气在罩430中膨胀并减慢，由此它们穿过一系列孔450a和450b进入大气。孔450a相对较小，而孔450b相对较大，根据特定应用的希望和/或需要，任一孔尺寸，或二者可用于罩430的整个外表面上，或仅用于罩表面的一部分。
图5展示了依据本发明的延伸的扩散器500的实施方案，扩散器500包括入口通道510，废气沿箭头520的方向流过该入口通道510。入口通道510连接到延伸的罩530，其描述了直径大于入口510的延伸的罩，废气在其中膨胀并减慢。一系列障板(baffler)540设置在罩530内，连接到罩530的后部，从而引导废气流通过设置在罩530后部上的一系列开口550，废气由此沿箭头560的方向排入大气。
在一个实施方案中，延伸的扩散器500可在垂直方位用于长途卡车和使用垂直排气器(exhaust stack)的类似物。
图6展示了依据本发明的延伸的扩散器600的另一实施方案，扩散器600包含入口通道610，废气沿箭头620的方向流过该入口通道610。入口通道610连接到与罩530结构相似的延伸的罩630，废气在其中膨胀并减慢。一系列障板640设置在罩630内，连接到罩630的前部，以引导废气流通过设置在罩630后部的一系列开口650，开口650略微大于图5中的开口550。废气沿箭头660的方向排入大气。
图7-8A展示了依照本发明的延伸的扩散器700的另一实施方案，扩散器700包含入口通道710，废气沿箭头720的方向流过入口通道710。入口通道710连接到与入口通道710宽度相似但比入口通道710深度大的延伸的罩730，废气在其中膨胀并减慢。障板740连接到罩730的侧面，并延伸跨过罩730的宽度，以引导废气流通过位于罩730后部的一系列槽750，障板740主要用于保证通过每个槽750的流量基本相等。障板740弯曲，使得当其接近与入口通道710相对的远端时，其限制罩730的容积。废气沿箭头760的方向通过槽750排入大气。
可选择地，罩730的前壁可按照障板740的形状和位置形成，实现相同的东西，或者可除去障板740，这取决于扩散器700所希望的性能。
如图8A所示的顶部视图可看到的，在一个实施方案中，罩730的前部770被成形为用于空气动力学的目的。
图9展示了依照本发明的延伸的扩散器900的另一实施方案，其与扩散器700的结构相似，只是代替槽，扩散器900使用一系列孔950，以将废气排入大气。其他的出口构型也是可以的，主要因素在于它们的总截面面积，它们大于扩散器入口910的截面面积。
图10A和10B展示了依据本发明的扩散器1000的另一实施方式，其直接连接到排气处理装置1010，如微粒过滤器或氮氧化物吸收器。排气流由箭头1020示出。扩散器1000包含连接到排气处理装置1010的入口1030、封闭容积罩1040以及一系列槽开口1050，废气凭借槽开口1050逃逸到大气。排气处理装置1010和罩1040可被视为单个扩散器1000的整体部件，或可被视为排气系的单独部件。扩散器1000展示了中间部件可置于排气系中，介于可比容积小于罩1040的排气管1060之间，废气在其中膨胀并减慢，且实际上，其他排气系部件可整体包含在罩内，且仍在本发明的范围内。
此外，许多排气处理装置的截面被可操作地压缩通过过滤器元件等，使得用于排气流的可用的实际截面相对较小，即使处理装置的外径可与扩散器罩的外径相同或比扩散器罩的外径大。
图11A、11B和11C展示了依据本发明的扩散器1100的另一实施方案。该实施方案尤其适合于供城市公共汽车及具有从公共汽车顶部将排气排入大气的垂直排气尾管的其他机器使用。
界定基本上封闭容积1130的罩1120连接到尾管1110的上端，为扩散器1100提供入口。罩1120可连接到现有尾管，或者扩散器1100可构造有整体尾管，其是扩散器1100的一部分，并连接到上游排气管或通道。
罩1120设计成置于城市公共汽车上或其附近，且相对较平，在一个实施方案中约为4-6英寸高，用于空气动力学目的，并降低交通工具的垂直侧面。罩1120在罩1120的前部1140处以直角连接到尾管1110，以使流过尾管1110的废气从尾管1110平稳地流入封闭容积1130中，在此过程中从垂直流动变为水平流动，如图11A中的箭头1150所示。
罩1120的宽度约与尾管1110在罩前部1140的宽度相等，在一个实施方案中，前部1140为4-5英寸宽，并朝罩1120的后部1160变得更宽，在一个实施方案中，后部1160为18-24英寸宽，使得封闭容积1130的形状从上看近似三角形，如图11B所示。在一个实施方案中，罩1120为12-18英寸长。
当废气从尾管1110进入容积1130时，相对较大的封闭容积1130允许废气膨胀并减慢，更易于废气与大气的夹卷。废气在罩后部1160通过设置在罩后部1160的垂直槽1170排出罩1120。槽为1英寸宽，并在一个实施方案中，相隔1-2英寸。
依据本公开内容，对本领域的技术人员来说，很显然，扩散器1100的形状和尺寸可被修改，以用于不同目的和应用，同时仍在本发明的范围内。例如，罩1120可由图11B所示的三角形形状改为矩形、圆形或适合于此目的的其他形状。其他的修改也是可行的；例如扩散器1110可修改成能装配到校车上，校车与城市公共汽车不同，其基本上通过车后部的底盘下延伸的水平排气管排放其排气。这可通过将罩1120保持在所示水平方位并将其连接到尾管，在校车的情况也是水平的来完成，以使排气水平直线流过尾管和罩1120，通过槽1170排出罩1120，并夹卷大气，以扩散和冷却。槽1170还可修改为包括不同的方位、圆孔、凸起通道(projectingpassage)或其他结构。障板或其他流向变换结构(flow-altering structure)可被置于罩1120内，以通过封闭容积1130改变方向、获得层流或抑制废气的流动。
接下来的示意性流程图一般作为逻辑流程图阐述。这样，描述的次序和标明的步骤指示本方法的一个实施方案。可以构思与所示方法的一个或多个步骤或其部分在功能、逻辑或效果等同的其他步骤和方法。此外，提供了所用的格式和符号，以解释本方法的逻辑步骤，且不应理解为对本方法范围的限制。尽管在流程图中采用了多种箭头类型和线类型，但是应理解，它们不是限制相应方法的范围。可使用某些箭头或其他连接符号来仅显示该方法的逻辑流程。例如，箭头可指示在所描述方法的所列举步骤间不确定持续时间的等待或监测时期。此外，特定方法中出现的命令可以或不可以严格地遵守所示的相应步骤的命令。
图12展示了依据本发明冷却废气的方法1200的一个实施方案。方法1200从1210开始，且在1220中，排气系接收排气，排气可由柴油发动机或等同结构产生。在1230中，促使排气通过第一通道，第一通道可为排气管或简单的入口开口，然后在1240中，促使排气进入比入口有较大可比容积或截面的封闭容积内，以使废气向容积内膨胀。然后，在1250中，促使膨胀的气体通过至少一个出口到大气，在一个实施方案中，所述出口截面比入口截面大。然后，在1260，方法结束。
依据本发明方法的其他实施方案可包括附加的步骤，如用微粒过滤器或催化剂处理废气。
从模型和测试数据确信，本发明的至少一个实施方案在以较小压降降低排气温度方面比上述参考的相关申请中所公开的发明的至少一个实施方案更有效。但是，本发明的至少一个实施方案通常比相关申请中所公开的发明的至少一个实施方案大，使其在某些情况下更适合于较大的发动机和机器。
本发明可以其他特定的形式实施，而不偏离本发明的主旨或实质特性。所述实施方案在所有方面应被认为仅作为示例性的，且是非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求指示，而不是由前述描述指示。在与权利要求等同的含义和范围内的所有改变都包含在其范围内。
Claims (26)
1.一种用于冷却废气的装置，所述装置包括：
入口，其可操作地连接到废气源；
罩，其界定基本上封闭的容积，所述容积的至少一部分的截面大于所述入口的截面，所述罩设置成通过所述入口接收废气；
出口，其设置在所述罩上，并设置成将废气从所述罩中排放到大气中。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述出口的截面尺寸大于所述入口的截面尺寸。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述出口包括多个出口。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述入口设置成连接到排气处理装置。
5.如权利要求2所述的装置，其中所述罩界定延伸的容积，所述容积的一部分的截面比所述入口的截面大，所述罩包括与所述入口相对的远端，且其中所述出口包括设置在所述罩的侧面上的一系列孔。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述孔包括沿所述罩的侧面设置的一系列槽，所述槽定向为基本上与所述罩的长度垂直。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述延伸的容积的截面面积在所述入口附近比在所述远端附近大。
8.如权利要求1所述的装置，其进一步包括设置在所述罩内的障板，以引导废气的流动。
9.如权利要求8所述的装置，其进一步包括设置在所述罩内的障板，所述障板设置成当废气从所述入口向所述远端行进时，减小所述延伸的容积的截面面积。
10.一种排气管装置，其可操作地将内燃发动机的排气口连接到大气，所述装置设置成将废气从发动机带入大气，所述装置包括：
第一通道，其设置成接收废气；
罩，其可操作地连接到所述第一通道，用于从所述通道接收废气，所述罩界定基本上封闭的容积，所述封闭的容积设置成使得废气在从所述第一通道进入所述罩时膨胀；
多个第二通道，其设置成将废气从所述罩排放到大气，所述第二通道的总截面比所述第一通道的总截面大。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述罩的容积的至少部分的截面大于所述第一通道的截面。
12.如权利要求10所述的装置，其中所述罩的容积的至少部分的截面大于所述第二通道的总截面。
13.如权利要求10所述的装置，其进一步包括基本上设置在所述罩内的排气处理装置。
14.如权利要求13所述的装置，其进一步包括障板，所述障板设置成改变废气流的方向。
15.如权利要求10所述的装置，其中所述第二通道包括在所述罩中的孔。
16.如权利要求10所述的装置，其中所述第一通道设置成垂直放置，而所述罩相对较平，并被设置成水平放置，所述罩的前部部分以与所述第一通道成近似直角连接到所述第一通道，所述罩的前部的截面面积与所述第一通道的截面面积近似相等，所述罩朝着所述罩的后部部分变宽且截面面积变大，且其中所述第二通道设置在所述罩的后部部分上。
17.一种冷却废气的方法，所述方法包括：
促使气体通过第一通道；
促使气体从第一通道进入基本上封闭的容积内；
使气体在所述容积中膨胀；
促使气体从所述封闭的容积到大气。
18.如权利要求17所述的方法，其中促使气体从所述封闭的容积到大气的所述步骤包括促使气体通过多个出口，所述多个出口的总截面面积大于所述第一通道的截面面积。
19.如权利要求17所述的方法，其进一步包括减慢废气在所述封闭的容积内的总速度。
20.如权利要求17所述的方法，其进一步包括从可操作地连接到所述第一通道的内燃发动机产生废气。
21.如权利要求17所述的方法，其进一步包括在促使废气进入所述封闭的容积之前处理废气。
22.一种柴油发动机排气处理和冷却系统，所述系统包括：
排气管，其基本上包含并引导由发动机产生的废气；
排气处理机构，其设置在所述排气管上，所述排气处理机构设置成改变废气的组成；
重建机构，其可操作地连接到所述排气处理机构，所述重建机构设置成时时重建所述排气处理机构；
冷却机构，其布置在所述排气管上，处于所述排气处理机构的下游，所述冷却机构包括基本上封闭的容积，所述封闭的容积的一部分的截面大于所述排气管的截面，所述冷却机构进一步包括多个出口，废气通过所述出口进入大气。
23.如权利要求22所述的系统，其中所述出口包括孔。
24.如权利要求23所述的系统，其中所述孔包括槽。
25.如权利要求22所述的系统，其中所述基本上封闭的容积由延伸的罩界定，且进一步包括设置在所述延伸的罩内的障板，所述障板设置成改变废气在所述罩内的流动。
26.如权利要求22所述的系统，其中所述排气处理机构包括柴油微粒过滤器。
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