CN101896693B - 用于卡车的排气扩散器 - Google Patents

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Abstract

一种排气稀释和扩散装置，包括第一管和第二扩散器管，该第一管形成用于排气导管的竖直指向的出口，该第二扩散器管安装成从第一管的出口接收排气流，该第二管的直径大于第一管的直径，以限定环绕第一管的出口的环境空气入口间隙，并且该第二管足够宽以允许排气在第二管中膨胀和扩散。该装置还包括分散出口，该分散出口安装在第二管的末端处并且构造为将排气径向向外引导，由扩散器出口限定的面积大于第一管的出口的面积。

Description

用于卡车的排气扩散器
技术领域
本发明涉及安装在卡车排气系统上用于稀释和扩散排气以便将其释放到环境中的装置。
背景技术
卡车中的排气处理装置需要进行维护程序，其能产生如下情形，即，排气温度远高于在车辆正常使用期间的温度。例如，捕获煤烟和废蒸汽中的其它微粒物的柴油机微粒过滤器需要再生过程，以烧掉所收集的微粒物。该过程要求进入柴油机微粒过滤器中的排气的温度要超过600℃。对于卡车中的柴油发动机，正常运行的排气温度为大约425℃。
将较高温度的蒸汽排放到环境中会造成麻烦，特别是对于在封闭环境中运行的卡车来说。卡车通常具有从卡车驾驶室附近的底盘立起的排气烟管。高温排气能在卡车驾驶室或拖车上产生过热点，或者将热气引向建筑物(例如在装载码头处)或者引向突出的树。
所需要的是一种降低内燃机的排气温度的装置。
发明内容
本发明包括一种安装在排气管上的排气扩散器，它是相对短但比较宽的烟管。该扩散器允许所进入的排气及其热能在较大容积内扩散。该烟管引起由于浮力导致的流，该流是由于低密度高能排气流与较高密度的周围环境空气之间的密度差而产生的。该浮力引起的流或“烟囱效应”导致环境空气流入排气扩散器中，该环境空气与热排气混合并且冷却热该排气。
本发明进一步包括出口，该出口作为安装在烟管顶部处的轴对称气窗而形成。所述气窗包括中央分流器以径向平衡气流分布。该出口气窗限定了比排气管的出口更大的面积，由此也用作扩散器。在排气流从出口流出时，该扩散器使排气流减速，这允许排气流与额外的环境空气容易地混合，这使排气进一步冷却。“烟囱效应”和“扩散器混合效应”二者的组合使排气冷却的程度是二者仅靠其自身所不能实现的。
通过增大直径来弥补由于高度减小而造成的烟囱效应的损失，以便更好地利用流动能。
根据本发明的排气稀释和扩散装置包括第一管和第二扩散器管，该第一管形成用于排气导管的竖直指向的出口，该第二扩散器管安装成从第一管的出口接收排气流，该第二管的直径大于第一管的直径，以限定环绕该第一管的出口的环境空气入口间隙，并且该第二管足够宽以允许排气在第二管中膨胀和扩散。该装置还包括分散出口，该分散出口安装在第二管的末端处并且构造为将排气径向向外引导，由扩散器出口限定的面积大于第一管的出口的面积。
附图说明
参照下面结合附图给出的详细描述将更好地理解本发明，在图中：
图1以透视图示出了排气烟管稀释和扩散元件的实施例；
图2是图1的排气烟管稀释和扩散元件的分解图；以及
图3是本发明的排气烟管稀释和扩散元件的示意图，示出了特定的尺寸关系。
具体实施方式
本发明涉及在排气释放到周围空气中的部位处安装在卡车排气系统上的装置。特别地，本发明是一种安装在柴油机微粒过滤器下游的排气导管上的装置，以在广阔区域内使离开该柴油机微粒过滤器的热气体扩散。根据本发明的另一方面，提供了一种结构，以利用环境空气来稀释排气并且在比通常的排气烟管更大的区域内扩散该稀释的排气，从而防止形成过热点并更快地散热。
图1显示了根据本发明一实施例的稀释器/扩散器装置的透视图。该装置包括第一管10，该第一管10可安装在重型卡车的排气烟管(未示出)上。第一管10可包括减小直径的接头12，该接头12能插入到卡车排气烟管中，以便于该装置的安装。重型卡车使用标准的5英寸直径的排气管，本发明容易适于匹配该标准管，但如将会理解的，本发明也可适用于其它尺寸的排气管。
第一管10具有排气口或出口(图1中未示出，参见图3中的出口14)，该排气口或出口布置在第二管20或扩散器内部。第二管20的直径比第一管10的直径大，从而限定环绕该第一管的入口间隙22。该入口间隙22允许环境空气进入第二管20中，以与从第一管10进入该第二管中的排气混合。在气体流过时，排气和环境空气在第二管20中混合。
扩散器20制造得与第一管10的排气口相比足够宽，使得所进入的排气在该扩散器的内部容积中膨胀并减速。
为冷却排气，根据本发明的装置依靠流过第二管20的排气的浮力来引起环境空气流入该第二管中。该浮力或烟囱效应由较热排气产生，该较热排气在第二管20中膨胀并逐渐形成压力梯度从而引起环境空气进入该第二管中。因此，下面将进一步描述的本发明的两个特征包括：第二管20与所述第一管相比足够宽，以允许离开该第一管的排气膨胀；以及，第二管20的至少一部分和第一管10竖直定向，以允许热排气借助于浮力效应而携带环境空气。
本发明的装置还包括分散器50，该分散器50安装在第二管20的末端处，并构造为将混合的排气和环境空气径向向外引导。分散器50包括具有分流器54的端盖或端板52，该分流器54延伸到气流中以将向上流动的气体向外引导。在图示的实施例中，分流器54是从端板52的下表面延伸的圆锥形突出部。
第二管20的上缘24以截头圆锥形轮廓向外和向上张开，从而也在扩散器20的径向向外离开方向上引导流动的气体。
现在转向图2，以分解图示出了本发明，从而更好地示出一些细节。在图2中，为了图示的清晰起见，第一管10仅上端部被示出，其余部分被省去。分散器50示出为从第二管20取下。还为了清晰起见，将端板52示出为与分散器50分开。
如所提及的，分散器50将混合的排气和环境空气流径向向外引导。端板52在该扩散器的轴向末端处形成屏障，并且分流器54设置为有助于使所述流从轴向方向转到径向方向。第二分流器56设置为将所述流分开并径向向外引导所述流的一部分。与单独任一个的情况相比，端板52和第二分流器56的组合使所述流在更大的出口区域内散布或扩散。第二分流器56形成为具有中心孔58的板，以允许排气和空气流的一部分朝向端板52流过。下表面60是凹形的，以形成使所述流向外转向的导向件。在图示的实施例中，第二分流器56具有截头圆锥形截面。
第二分流器56定位在第二管20的上缘24与分散器50的端板52之间。再参照图1，分散器50的出口62因而被限定为第二管20的上缘24与该扩散器的端板52之间的区域。
分散器50还包括多个翅片64，所述多个翅片64相对于该装置的轴向方向竖直且径向定向，并且绕该扩散器规则地隔开。翅片64从分散器50的出口62径向向内延伸。翅片64有助于使排气流在分散器50的出口62区域上散开和扩散。如所示的，翅片64安装到第二分流器56并支撑该第二分流器56，而且形成用以支撑端板52的基部。图2中所示的翅片64向下延伸穿过第二管20并在它们的下端66处安装到第一管10的上端。可替代地，翅片64的下端66能安装到轴环(未示出)上，该轴环又将安装到第一管10的上端。
可替代地，翅片64可构造得较短，在端板52与第二管20的上缘24之间延伸。可设置支架构件(未示出)来将第一管10安装在第二管20的入口处。
将结合图3对本发明的稀释器/扩散器的流动特性进行描述，图3示出了该装置的示意图。图3示出了第一管10、该第一管的出口14、第二管20和分散器50。
如所提及的，本发明依靠如下两个效应来将冷却环境空气吸入扩散器20内：热排气的扩散以及浮力效应或烟囱效应。“烟囱效应”是由温度较高但密度较低的气体(在此情形中为排气)与温度较低但密度较高的气体(环境空气)之间的密度差产生的由浮力引起的流。
允许排气在第二管20中膨胀，从而减少该气体的热通量。这使热排气的热能散布在较大的区域(即，扩散器的外表面区域)内，并使排气流减速到其能与环境空气有效混合的程度。
如所公知的，温度较高但密度较低的气体在其穿过温度较低但密度较高的气体上升时将形成缕流。在浮力流中，该缕流将在恒定的15°角度下膨胀。
图3中的虚线70始于第一管10的出口14的外边缘处，并相对于竖直方向成15°定向，以示出由离开第一管10的热排气形成的浮力缕流将在第二管20中占据的空间。
在指定第二管相对于第一管的出口的尺寸时，要考虑的两点是：要避免在环境空气入口22处产生文丘里(Venturi)式喉部，并且，在第二管中要具有足够的空间以使离开第一管的排气能膨胀，从而产生浮力效应。
通过使第二管20具有能避免限制缕流扩展的尺寸来将第二管20构造为浮力混合导管，使得排气缕流的横截面面积至少与第二管的横截面面积一样大，以引起环境空气流入。在图3中，通过表示缕流膨胀的虚线70与该第二管的轮廓的相对位置来示出这种关系。就第一管10的直径和入口间隙22的宽度而言，第二管20的直径等于或大于第一管10的出口14的直径加上两倍的入口间隙22宽度。
为了避免在第二管入口22处产生文丘里式喉部，第二管入口22的横截面面积优选设定为大于或等于第一管的出口14的横截面面积(选取环绕第一管的出口14的总面积)。这意味着第二管20的直径至少是第一管10的直径的两倍。
考虑到这些关系，发明人确定第二管20的高度(在入口22与上缘24之间测量的)优选至少是入口间隙22的宽度的2.5倍。
作为上限，不超过第二管20的直径的15倍的高度是优选的。使该高度保持小于第二管20的直径的15倍确保所述流具有足够的能量来从第二管出口62径向向外分散。
此外，可以确定的是，分散器50的出口62应允许混合气体在不产生背压的情况下流动。出口62的面积优选大于第一管10的出口14的面积。
已在优选实施例和结构方面对本发明进行了描述；然而，本领域中的技术人员将会理解，可在不偏离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下进行替换和变形。

Claims (9)

1.一种用于对来自发动机排气口的排气进行冷却的装置，包括：
第一管，所述第一管形成用于排气导管的竖直指向的出口；
第二管，所述第二管安装成从所述第一管的出口接收排气流，所述第二管的直径至少是所述第一管的直径的两倍，以限定环绕所述第一管的出口的环境空气入口间隙，所述第二管的高度至少是所述入口间隙的宽度的2.5倍；以及
分散出口，所述分散出口安装在所述第二管的末端处并且构造为将排气径向向外引导，其中所述分散出口包括端板，所述端板具有形成在所述端板上并且指向所述排气流的圆锥形突出部，所述端板与所述第二管的末端隔开，以在所述端板与所述末端之间限定径向排出口。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二管的高度不超过所述入口间隙的宽度的15倍。
3.根据权利要求1所述的装置，其中由所述入口间隙限定的面积至少等于所述第一管的出口的面积。
4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括安装在所述第二管的所述末端与所述端板之间的分流器，所述分流器具有面向下的凹面。
5.根据权利要求4所述的装置，其中所述分流器具有截头圆锥形截面，并具有居中的孔，以允许排气从所述孔中通过。
6.根据权利要求5所述的装置，还包括多个竖直地径向布置的翅片，所述翅片安装到所述第二管并且支撑所述端板和所述分流器。
7.根据权利要求1所述的装置，其中由所述分散出口限定的面积大于所述第一管的出口的面积。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二管在通向所述分散出口的末端处具有向外弯曲的唇缘部。
9.一种用于对来自发动机排气口的排气进行冷却的装置，包括：
第一管，所述第一管形成用于排气导管的竖直指向的出口；
第二管，所述第二管安装成从所述第一管的出口接收排气流，所述第二管的直径大于所述第一管的直径，以限定环绕所述第一管的出口的环境空气入口间隙，由所述入口间隙限定的面积至少等于所述第一管的出口的面积，所述第二管的高度至少是所述入口间隙的宽度的2.5倍；
分散出口，所述分散出口安装在所述第二管的末端处并且构造为将排气径向向外引导，由所述分散出口限定的面积大于所述第一管的出口的面积，所述分散出口包括端板，所述端板具有形成在所述端板上并且指向所述排气流的圆锥形突出部，所述端板与所述第二管的末端隔开，以在所述端板与所述末端之间限定径向排出口；以及
分流器，所述分流器安装在所述第二管的所述末端与所述端板之间，所述分流器具有截头圆锥形截面和面向下的凹面，并且具有居中的孔，以允许排气从所述孔中通过。
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