CN101619668B - 用于冷却废气的设备和方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于冷却废气的废气冷却设备和方法。所述废气冷却设备具有第一流体导管和从所述第一流体导管延伸的可变喷嘴。所述可变喷嘴设置在第二流体导管的入口端，其中，所述可变喷嘴具有彼此靠近的至少两种不同材料，且流体入口开口位于所述可变喷嘴的外周边和所述第二流体导管的入口端的内表面之间。所述至少两种不同材料借助于响应于流经所述第一流体导管的废气温度朝向或远离第一流体导管中心线移动而改变所述可变喷嘴的开口尺寸。

Description

用于冷却废气的设备和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2008年7月1日提交的美国专利申请No.61/077,362的权益，所述专利申请的内容作为参考引入本文。
技术领域
本发明的示例性实施例涉及流体输送设备，且更具体地涉及用于冷却废气的流体输送设备。
背景技术
采用内燃机尤其是柴油发动机的车辆制造商试图减少和控制废气排放物，且符合对于氮氧化物(NOx)、未燃烧和部分氧化的碳氢化合物(HC)、一氧化碳(CO)、颗粒物质和其它排放物(即，硫化氢(H2S)和氨(NH3))的释放的当前和未来的排放标准。为了减少前述排放物，柴油发动机通常用废气后处理系统操作。
废气后处理系统通常包括，但不限于，一个或更多后处理装置，如氧化催化剂、NOx减少装置、柴油颗粒过滤器(DPF)和硫捕集器(sulfur trap)。这些后处理装置通常需要在发动机废气中存在某些条件，以最佳地工作。例如，NOx减少装置和氧化催化剂具有相对窄的温度窗口，所述装置在该温度窗口内启动，再生，或以高转换效率工作。一些后处理装置需要将装置加热至比发动机废气通常提供的温度更高的温度，以实现后处理装置的期望工作温度。这种装置的一个示例是柴油颗粒过滤器(DPF)。
在操作中，柴油颗粒过滤器捕获由柴油发动机废气流携带的颗粒，这种柴油颗粒过滤器在一端接收废气流，且在废气通过薄通道壁扩散并从另一端排出时捕获颗粒。柴油颗粒过滤器中的持续颗粒积聚是不希望的，因而有必要在过滤器被阻塞之前清除颗粒积聚。
颗粒积聚的清除通过再生过程进行，其中，DPF的温度升高至足以引起由DPF捕获的颗粒的燃烧和蒸发的水平。一旦颗粒蒸发，燃烧产物可能由废气流扫除出过滤器。
为了提供局部加热以有效地从过滤器去除颗粒，DPF中的废气温度必须增加。对于DPF有两种主要的再生事件：被动的和主动的。在被动再生期间，废气达到足以促进催化反应的温度，所述催化反应氧化所捕获的煤烟。在主动再生模式中，车载发动机控制模块促使系统增加废气温度和/或调节可用的氧气含量，以促进或中断再生事件。再生事件通常需要在570和650摄氏度之间的废气温度。
发明内容
提供一种用于冷却废气的废气冷却设备和方法。所述废气冷却设备具有第一流体导管和从所述第一流体导管延伸的可变喷嘴。所述可变喷嘴设置在第二流体导管的入口端，其中，所述可变喷嘴具有彼此靠近的至少两种不同材料，且流体入口开口位于所述可变喷嘴的外周边和所述第二流体导管的入口端的内表面之间。所述不同材料借助于响应于流经所述第一流体导管的废气温度朝向或远离第一流体导管中心线移动而改变所述可变喷嘴的开口尺寸。
在另一实施例中，提供用于冷却发动机的废气处理装置的废气的方法。所述方法包括：将废气引导通过第一流体导管，所述第一流体导管具有可变喷嘴，所述可变喷嘴由彼此靠近的至少两种不同材料限定且从所述第一流体导管延伸。所述可变喷嘴接收在第二流体导管的入口端，且所述可变喷嘴设置在所述第二流体导管中靠近所述第二流体导管的入口端，使得在所述可变喷嘴的外周边和所述第二流体导管的入口端的内表面之间限定流体入口开口。因而，流体借助于改变所述可变喷嘴的开口尺寸而通过所述流体入口开口引入所述第二流体导管，所述流体的温度比所述废气的温度更低，且所述流体与第二流体导管中的废气混合以提供混合气体，所述混合气体的温度小于所述废气的温度。借助于所述至少两种不同材料响应于流经所述第一流体导管的废气温度朝向或远离第一流体导管中心线移动而改变所述可变喷嘴的开口。
附图说明
其它特征、益处和细节在实施例的以下说明中示意性地显现，所述说明参考附图，在所述附图中：
图1是根据本发明示例性实施例的废气冷却装置的部分截面图；
图1A是处于第一位置的废气冷却装置的一部分的放大截面图；
图1B是处于第二位置的废气冷却装置的一部分的放大截面图；
图2是处于第一工作位置的废气冷却装置的截面图；
图3是处于第二工作位置的废气冷却装置的截面图；
图4是具有废气冷却装置的排气系统的示意图；
图5是根据可选实施例的废气冷却装置的部分截面图；
图5A是处于第一位置的图5的废气冷却装置的一部分的放大截面图；
图5B是处于第二位置的图5的废气冷却装置的一部分的放大截面图；
图6是根据另一可选实施例的废气冷却装置的部分截面图；和
图6A是处于第一位置的图6的废气冷却装置的一部分的放大截面图。
具体实施方式
现在参考图1-4且根据一个非限制性实施例，图示了废气冷却设备10。所述废气冷却设备具有第一流体导管12和第二流体导管14。虽然，第一和第二流体导管图示为具有圆形结构和开口，但是第一和第二流体流导管的任何截面形状都是可以想到的，只要能实现期望结果即可。这种结构的非限制性示例包括卵形、椭圆形、方形、矩形及其等价物。
第一流体导管由多个紧固构件或支座(stand off)16紧固到第二流体导管。所述支座构造成使得流体能够从环绕第一流体导管的区域流入第二流体导管。所述第一流体导管构造成从发动机(未示出)接收废气，且具有可变喷嘴17，可变喷嘴17具有设置成将废气引导到第二流体导管中的开口18。
第一流体导管的可变喷嘴的远端能够收缩和膨胀，以提供较小开口(如1和3)和较大开口(图2)。因而，可变喷嘴提供可变喷嘴开口。如本文讨论的那样，可变喷嘴开口的尺寸取决于流经所述第一流体导管和所述喷嘴的废气温度。当喷嘴的远端收缩时，提供和/或增大喷嘴的外表面和第二流体导管的入口开口的内表面之间的外围开口。该入口开口允许较冷气体(例如，环境空气)进入废气冷却设备。
在图1-4的实施例中，可变喷嘴及其开口由从所述第一流体导管延伸的多个调整片构件20限定。所述多个调整片构件通过由任何合适的制造过程形成的多个细长开口或间隙22而彼此间隔开。因而，从所述第一流体导管延伸的调整片构件阵列限定所述可变喷嘴及其开口。
所述可变喷嘴从第一流体导管的一端延伸且设置在第二流体导管的入口端24中。第二流体导管具有设置在第二流体导管的入口端24和出口端28之间的中间部分26。如图所示，中间部分26中的开口的截面面积小于入口端24和出口端28的开口的截面面积。因而，所述第二流体导管类似于文氏管。所述多个调整片构造成改变喷嘴开口的尺寸，这继而改变较冷流体或环境空气进入第二流体导管的开口，且提供进入第二流体导管的可变节流孔。
第一流体导管的外直径或周长小于第二流体导管的入口端的周长或直径，从而提供流体入口开口30。当开口30由于调整片20的收缩而增大时，废气32以箭头34的方向行进通过第一流体导管，且环绕第一流体导管12的环境空气36以箭头38的方向通过流体入口开口30吸入。因而，喷嘴开口18和流体入口开口30的尺寸取决于流经第一流体导管和喷嘴的废气的温度，且喷嘴开口和流体入口开口30的尺寸相应地变化。
为了改变喷嘴开口18和流体入口开口30两者的尺寸，所述多个调整片18由在废气温度变化时将使得所述多个调整片中的每个在第一位置(图1A)和第二位置(图1B)之间转换的材料制成。也参考图2和3，示出了处于第一位置和第二位置的所述多个调整片。
第一位置(图1A)对应于流经第一流体导管12的冷废气(例如，小于550摄氏度)，第二位置(图1B)对应于流经第一流体导管12的较热废气(例如，大于570摄氏度)。当然应当理解的是，可以想到大于或小于前述温度的温度。第二位置使得喷嘴开口18的尺寸减小，这继而增加行进通过喷嘴开口的废气的速度，使得增加量的环境空气(非废气)通过流体入口开口30抽吸到第二流体导管14中。
为了实现调整片20的该移动以改变开口18，所述多个调整片中的每个由双金属材料制成，所述双金属材料包括第一材料(例如，金属或金属合金)40和靠近所述第一材料粘结或成型的第二材料(例如，金属或金属合金)42，使得这两种材料形成调整片部分。第一材料具有比第二材料更高的热膨胀系数，使得在废气温度增加时，第一材料将使得所述多个调整片中的每个朝第一流体导管的中心线44偏转，其中，所述多个调整片的这种移动使得喷嘴开口的尺寸减小。
每种金属应当基于其材料属性进行选择，以实现调整片根据通过第一流体导管12的废气流温度的恰当运动。所述材料属性应当选择成使得金属40(外部金属)相对于金属42(内部金属)具有更高的热膨胀系数。所述双金属材料可以使用任何合适的过程形成(例如，钎焊或熔焊在一起的两层，金属沉积过程，各种轧制和包覆过程或其任何等价物)，其中，不同材料属性的金属层设置成彼此靠近，所述过程尤其是在第一和第二材料之间形成足以在本文所述的热循环环境中保持其整体性的强冶金结合的过程。
第一流体导管12构造成从废气处理装置46(在一个实施例中是柴油颗粒过滤器(DPF))接收废气。如相关领域已知的那样，柴油颗粒过滤器是需要加热超过通常由废气提供的温度的废气处理装置，以实现期望工作温度，以便利于颗粒过滤器的再生。如图4所示，第一入口导管经由导管47联接到废气处理装置46的出口。当然，第一流体导管12可以直接联接到废气处理装置46，或者，在它们之间提供流体连通的任何其它合适机构可以用于将第一流体导管联接到废气处理装置。
当来自于废气处理装置46的温度增加且环境空气(温度和由于围绕排气系统的运动引起的对流冷却)不足以冷却通过喷嘴的废气流时，由于调整片20的双金属属性，外部金属40将以比内部金属42更快的速率膨胀，使得金属调整片阵列向内偏转，从而减小喷嘴17的直径。这将借助于使得通过喷嘴进入中间部分26的废气流减速和增加进入文氏管装置的环境空气的空间而促进通过第二导管14的更有效文氏管效果。因而，热废气用冷环境空气稀释，且实现冷却效果。因而，由于喷嘴开口18响应于废气温度膨胀和收缩以将冷却气体引入发动机废气，从而废气冷却设备提供可变节流孔文氏管。
另一方面，当环境温度较冷和/或车辆以足以冷却排气系统的速度运动(即，冷却空气移动经过尾管且离开尾管的气体不集中于静止装置上)和/或DPF不处于再生模式(即，废气较冷，例如小于550摄氏度)时，喷嘴节流孔直径将趋于增加，从而减小系统的背压。可变节流孔直径增加将通过外部金属40相对于内部金属42的更大收缩实现，从而减小文氏管的效果和减小发动机背压。对于运动车辆中的压缩点火(贫燃烧)发动机，该效果可以在大范围的工作条件下降低背压，即在不需要废气冷却时。该减小的限制将改进燃料效率，且将允许发动机在不超过各种发动机部件工作温度极限的情况下实现更高的功率/转矩。
图2图示了在由第一流体导管接收的废气不足够热而不能引起通过第一流体导管和第二流体导管之间的入口开口的较冷环境空气的附加混合，但是如图所示，细长开口或间隙22将允许一些较冷环境空气与第二流体导管中的废气混合时，较大喷嘴开口的较低速度将减小吸入第二流体导管的环境空气量。而且，由所述多个调整片20的远端48限定的可变喷嘴开口18增大，这也导致废气处理装置46的减小的废气速度以及降低的背压，因为可变喷嘴18的开口处于其最大构造。
图3图示了在废气变得更热时(例如，由于排气系统的柴油颗粒过滤器的再生)，具有较高热膨胀系数的第一材料40将使得所述多个调整片20中的每个朝第一流体导管12的中心线44偏转，且减小喷嘴开口18的尺寸，同时增加入口开口30的尺寸。当所述多个调整片20朝第一流体导管12的中心线44偏转时，由所述多个调整片构件中的每个的远端48限定的喷嘴开口18的尺寸减小，且行进通过喷嘴开口18的废气速度增加，并且行进通过第二流体导管14的气体的文氏管效果使得较冷环境空气被吸入到入口开口30中。因而，热废气在第二流体导管14的中间部分中用较冷环境空气稀释，以在箭头52的方向提供稀释的或冷却的废气50。图3所示的废气冷却设备的结构在柴油颗粒过滤器或废气处理装置46的再生事件期间是期望的，所述再生事件导致更热的废气(例如，大于570摄氏度)。在该事件期间，期望通过将这些废气与环绕第一流体导管12的环境空气混合来冷却这些废气。
在一个非限制性实施例中，调整片20在第一位置与第二流体导管14接触，且大致封闭喷嘴的外周边和第二流体导管14的入口开口的内周边之间的开口30。可选地，调整片20在第一位置并不接触第二流体导管，然而，第一流体导管的外周边和第二流体导管的内周边之间的开口30保持大致封闭(例如参见图2)。
此外，第二流体导管14中的可变喷嘴17的准确位置可以变化，只要在某些废气条件期间实现期望混合即可。即，废气在第二流体导管14的中间部分26中与环境空气混合，以提供较冷的混合气体50，混合气体50通过第二流体导管14的出口开口28排出。例如，可变喷嘴17的外周边设置在第二流体导管14的入口端24，或第一流体导管12的外周边设置在第二流体导管14的入口端24。
在可选实施例中且参考图5-5B，也可以在上游管道中不使用不使用纵向调整片构件20的情况下实现可变喷嘴功能。在此，喷嘴17紧固到第一流体导管12的端部，且喷嘴17由两种不同材料制成。其它预期实施例包括整体式喷嘴或由多个调整片20形成的喷嘴，所述调整片20各从不具有恒定直径的多个管道(例如，第一流体导管)延伸，使得至少一个管道或导管能够插入到另一管道或导管中，且所述多个调整片的远端将不对齐，使得第一流体导管中的最大直径管道的所述多个调整片的端部将使得它们的远端从插入到所述最大直径管道中的管道的调整片的远端进一步向外延伸。换句话说，多个不一致管道插入到彼此中，其中，每个管道具有依次更小的直径，且每个管道或所述管道中的一些具有带有不同热力特性的至少两种材料的多个调整片。这将允许重叠的调整片设计，从而促进独特的流动特性且将调整文氏管内的紊流混合效果。例如参考图4中虚线所示的较小内部管道或导管。当然，前述实施例中任何实施例的结构将根据应用要求而变化。准确的排气/调整片/管道几何形状、定向和材料属性需要对于特定工作范围进行优化调整。
参考图6和6A，在又一可选实施例中，双金属设计策略应用于外部管道或第二流体导管14，以进一步增加在各种工作条件下的文氏管效果。在此，第二流体14的入口端24由两种不同材料制成。类似于前述实施例，入口端包括双金属材料，所述双金属材料包括第一材料(例如，金属或金属合金)40和靠近所述第一材料粘结或成型的第二材料(例如，金属或金属合金)42，第一材料具有与第二材料不同(更高或更低)的热膨胀系数，以提供双金属材料的远端70的期望移动。
在该实施例中，所述两种不同材料可以设置在第一流体导管12和第二流体导管14两者上，或者仅设置在第二流体导管14上。如图6A所示，包括材料40和42的双金属材料的远端70也将响应于吸入废气冷却设备的流体温度而移动，从而在远端70移动时入口开口30的尺寸将变化。
因而，提供了用于冷却发动机的废气处理装置的废气的方法。如本文讨论的那样，废气行进通过第一流体导管，第一流体导管具有可变喷嘴，可变喷嘴具有由从第一流体导管延伸的多个调整片构件限定的开口。喷嘴开口接收在第二流体导管的入口端中，所述第二流体导管具有文氏管结构，以在喷嘴和第二流体导管之间限定流体入口开口，以便环境空气被吸入并与第二流体导管中的废气混合，以提供冷却的稀释气体，所述稀释气体排出第二流体导管的出口端。在第一流体导管上游安装有排放物控制装置(如柴油颗粒过滤器或DPF)时，冷却废气的方法通常是期望的。
当较高温度的废气流入第一流体导管且流经喷嘴开口时，所述多个调整片将朝第一流体导管的中心线偏转且减小喷嘴开口。喷嘴开口的截面面积的减小使得从喷嘴开口离开的废气速度增加。通过使得废气加速，增加量的环境空气能够通过入口开口或由第一流体导管和第二流体导管限定且位于第一流体导管和第二流体导管之间的开口进入第二流体导管，因为入口开口由于限定喷嘴开口的所述多个调整片或材料朝第一流体导管的中心线偏转而变大。
选择不同材料属性以利用热膨胀系数中的差异，以便在废气足够热或高于预定温度范围以需要废气冷却，且环境空气的环境温度不能充分冷却以显著降低废气温度，和/或车辆运动不在废气冷却设备周围产生足够的环境空气运动以冷却废气时提供较小喷嘴直径。
冷却设备被调整以优化系统对于废气冷却变得主动时的条件。在不需要废气冷却的其它条件下，喷嘴将增加其直径，从而降低排气系统的背压。因为系统不总是必须具有较小的喷嘴开口，该可变节流孔喷嘴开口提供以下益处：改进燃料经济性；增加性能(功率/转矩)；和改进发动机耐用性。
此外，冷却设备提供成本有效的可变喷嘴文氏管废气冷却器，不需要复杂的运动部件，致动器和/或计算机控制算法，因为可变开口在不增加更多复杂的主动计算机控制阀装置的情况下实现，所述主动计算机控制阀装置也需要复杂的OBD2诊断例程，这也可能需要附加传感器来监测该装置的性能。
虽然已经参考车辆排气系统描述了一个实施例，但是本领域技术人员将认识到，废气冷却设备可以用于包括气体和液体流的其它应用。此外，废气冷却设备可以构造成废气加热设备，其中，所述多个调整片中的第一和第二材料构造成在废气比环境空气更冷时向内偏转，从而吸入更热的环境空气以冷却废气。
虽然本发明已经参考示例性实施例进行描述，但是本领域技术人员应当理解，可以在不偏离本发明范围的情况下作出各种变化和用等价物来替代其元件。此外，可以在不偏离本发明实质范围的情况下作出许多修改，以使得本发明的教导适合特定情形或材料。因而，本发明不旨在限制为作为用于实施本发明的最佳模式所公开的具体实施例，而是包括落入本申请范围内的所有实施例。

Claims (16)

1.一种废气冷却设备，包括：
第一流体导管；
从所述第一流体导管延伸的可变喷嘴，所述可变喷嘴通过将由至少两种不同材料分别形成的层套叠而成；和
第二流体导管，所述第二流体导管具有入口端和出口端，所述可变喷嘴的至少一部分设置在所述第二流体导管中靠近所述第二流体导管的入口端，使得流体入口开口位于所述可变喷嘴的外周边和所述第二流体导管的入口端的内表面之间，所述至少两种不同材料借助于响应于流经所述第一流体导管的废气温度朝向或远离第一流体导管中心线移动而改变所述可变喷嘴的开口尺寸，以借助于将环绕靠近所述流体入口开口的所述第一流体导管的部分的流体吸入到所述第二流体导管中而使得所述废气与所述流体混合。
2.根据权利要求1所述的废气冷却设备，其中，所述可变喷嘴由从所述第一流体导管延伸的多个调整片限定，且所述多个调整片中的每个由纵向开口彼此间隔开，且所述多个调整片中的每个的远端限定所述可变喷嘴的开口。
3.根据权利要求2所述的废气冷却设备，其中，所述多个调整片中的每个由所述至少两种不同材料制成，以形成包括第一材料和第二材料的双金属材料，所述第一材料具有比所述第二材料更高的热膨胀系数，当废气温度超过预定温度时，所述第一材料将使得所述多个调整片中的每个朝所述第一流体导管的中心线偏转，其中，所述多个调整片减小所述可变喷嘴的开口尺寸。
4.根据权利要求1所述的废气冷却设备，其中，所述第一流体导管由多个支座紧固到所述第二流体导管。
5.根据权利要求1所述的废气冷却设备，其中，所述第二流体导管还包括设置在所述入口端和所述出口端之间的中间部分，所述第二流体导管具有从其延伸穿过的开口，所述开口在所述入口端和所述出口端处比在所述中间部分处更大，以限定文氏管。
6.根据权利要求1所述的废气冷却设备，其中，在所述可变喷嘴的开口减小时所述流体入口开口的尺寸增加。
7.根据权利要求1所述的废气冷却设备，其中，所述第一流体导管构造成用于附接到车辆排气系统的排气管，且在所述至少两种不同材料朝所述第一流体导管的中心线移动时所述第一流体导管中的排气背压增加，在所述至少两种不同材料远离所述第一流体导管的中心线移动时所述第一流体导管中的排气背压降低。
8.根据权利要求1所述的废气冷却设备，其中，所述第二流体导管的入口端通过将由至少两种不同材料分别形成的层套叠而成，所述第二流体导管的入口端的所述至少两种不同材料借助于响应于流经所述第一流体导管的废气温度朝向或远离第一流体导管中心线移动而改变所述流体入口开口的尺寸。
9.一种用于冷却发动机的废气的方法，包括：
将废气引导通过第一流体导管，所述第一流体导管具有可变喷嘴，所述可变喷嘴通过将由至少两种不同材料分别形成的层套叠而成且从所述第一流体导管延伸，所述可变喷嘴接收在第二流体导管的入口端，且所述可变喷嘴设置在所述第二流体导管中靠近所述第二流体导管的入口端，使得在所述可变喷嘴的外周边和所述第二流体导管的入口端的内表面之间限定流体入口开口；
将流体通过所述流体入口开口引入所述第二流体导管，所述流体的温度比所述废气的温度更低；
使所述流体与第二流体导管中的废气混合以提供混合气体，所述混合气体的温度小于所述废气的温度；和
借助于所述至少两种不同材料响应于流经所述第一流体导管的废气温度朝向或远离第一流体导管中心线移动而改变所述可变喷嘴的开口尺寸，从而增加或减小引入所述第二流体导管的流体量。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括借助于所述至少两种不同材料响应于流经所述第一流体导管的废气温度朝向或远离第一流体导管中心线移动而改变所述流体入口开口的尺寸，其中，在所述至少两种不同材料朝所述第一流体导管的中心线移动时所述第一流体导管中的排气背压增加，在所述至少两种不同材料远离所述第一流体导管的中心线移动时所述第一流体导管中的排气背压降低，第一流体导管中的增加背压增加了通过可变喷嘴开口的废气速度，从而将流体吸入第二流体导管中。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第一流体导管由多个支座紧固到所述第二流体导管。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述第二流体导管还包括设置在所述入口端和所述出口端之间的中间部分，所述第二流体导管具有从其延伸穿过的开口，所述开口在所述入口端和所述出口端处比在所述中间部分处更大，以限定文氏管。
13.根据权利要求9所述的方法，其中，所述可变喷嘴的开口由从所述第一流体导管延伸的多个调整片的远端限定，且所述多个调整片中的每个由纵向开口彼此间隔开。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述多个调整片中的每个由所述至少两种不同材料制成，以形成包括第一材料和第二材料的双金属材料，所述第一材料具有比所述第二材料更高的热膨胀系数，当废气温度增加时，所述第一材料将使得所述多个调整片中的每个朝所述第一流体导管的中心线偏转，其中，所述多个调整片减小所述喷嘴开口的尺寸。
15.根据权利要求9所述的方法，还包括通过使得所述至少两种不同材料朝向第一流体导管中心线移动而减小所述开口的尺寸，从而增加流经可变喷嘴开口的废气速度，以将流体吸入所述第二流体导管中。
16.根据权利要求15所述的方法，还包括通过使得所述至少两种不同材料朝向第一流体导管中心线移动而增加所述流体入口开口的尺寸。
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