CN104321508A - 试剂注入器 - Google Patents

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Abstract

一种用于将试剂注入到废气流中的注入器，包括延伸穿过电磁体并围绕内管的外管。内管的第一端被密封地固定到外管的内表面。引导构件和孔板各自被密封地固定到外管的内表面。内管的第二端通过引导构件对准。可移动阀构件包括由外管的内表面引导的销头，以将阀构件与延伸穿过孔板的孔对准。

Description

试剂注入器
技术领域
本发明涉及注入器系统，并且，更具体地，本发明涉及用于将诸如尿素水溶液之类的试剂注入到废气流中，以减少柴油机废气流中氮氧化物(NOx)的排放的注入器系统。
背景技术
本部分提供了与本发明有关的背景信息，其不一定是现有技术。稀薄燃烧发动机通过利用过量的氧气来运行提供了提高的燃料效率，上述过量的氧气即比完全燃烧可用燃料所必需的量更大的氧气量。称这样的发动机“稀薄”运行或在“稀薄混合气”上运行。但是，与非稀薄燃烧相对照，提高或增加的燃料经济性被不希望有的污染排放尤其是氮氧化物(NOx)形式的污染排放抵消。
用于减少来自稀薄燃烧内燃机的NOx排放的一个方法被称为选择性催化还原(SCR)。当使用SCR时，例如为了减少柴油机的NOx排放，包括将雾化的试剂注入到发动机的废气流中，该废气流与一个或多个所选择的发动机运行参数相关，该发动机参数诸如废气温度、发动机转速或由发动机燃料流量测量的发动机负载、涡轮增压压力或废气NOx质量流。将试剂/废气混合物穿过金属的反应器，该金属反应器包含能够在存在试剂的情况下减少NOx浓度的催化剂，该催化剂为例如活性炭，或诸如铂、钒、或钨的金属。
已经知道尿素水溶液是用于柴油机的SCR系统中有效的试剂。但是，使用这样的尿素水溶液包括许多缺点。尿素是高度腐蚀性的且可以不利地影响SCR系统的机械组件，例如用于将尿素混合物注入到废气流中的注入器。当长时间暴露在诸如柴油机排气系统中遇到的温度的高温时，尿素还可能固化。固化的尿素将在通常在注入器中发现的狭窄通道和出口孔开口中累积。固化的尿素还可能造成对注入器的移动部分的污染并阻塞任何开口或尿素流通道，从而使注入器不可用。
一些试剂注入系统被配置成包括泵、供应线路和返回线路，使得连续地泵尿素水，以最小化固化，并且还将热从注入器传送至在远程位置处存储的尿素水。这些注入器典型地装备有连接到供应线路的入口以及连接到返回线路的间隔开的出口，其中，入口和出口都作为注入器孔位于电磁体的相对侧。虽然在过去以这种方式配置的注入器已经有效地运行，但是关于中断磁路并降低螺线管的效率的泵液的问题可能出现。对于低效的电路需要考虑到增加的电流、线圈直径、导线的直径和/或线圈绕数。
关于先前提供的注入器，关于成本、复杂性和将被泵过注入孔或注入器组件之间的某一其他接头的流体的泄漏的其他问题可能产生。因此，需要提供一种解决这些问题中的一些或全部的改进的试剂注入器。
发明内容
本部分提供了对本发明的一般总结，且其不是对其全部范围或其全部特征的全面公开。
一种用于将试剂注入到废气流中的注入器，包括延伸穿过电磁体并围绕内管的外管。内管的第一端被密封地固定到外管的内表面。引导构件和孔板各自被密封地固定到外管的内表面。内管的第二端通过引导构件对准。可移动阀构件包括销头，该销头由外管的内表面引导以将阀构件与延伸穿过孔板的孔对准。
一种用于将试剂注入到废气流中的注入器，包括连接到外壳的电磁体。槽盘包括在圆周方向上间隔开的、延伸穿过槽盘的涡流口。槽盘还包括在各涡流口之间延伸且在涡流腔处终止的涡流槽。每个涡流槽包括大致直线部分和圆形部分，其中圆形部分限定涡流腔的外径。孔板包括孔，并且被固定到槽盘。基于电磁体的通电，阀构件可以在外壳内、在限制试剂从孔出去的关闭位置和允许试剂穿过孔的开启位置之间移动。当阀构件处于开启位置时，试剂被泵过涡流口、涡流槽和涡流腔。
根据本申请中提供的描述适应的另外领域将变得显而易见。本发明内容中的描述和具体示例仅意在用于说明的目的，且其不意在限制本发明的范围。
附图说明
本申请中描述的附图仅是为了对所选择的实施例而不是全部可能的实施方式进行说明，并且其不意在限制本发明的范围。
图1是对示例性的废气后处理系统的示意性描绘，该系统包括根据本发明的教导构造的电磁控制的试剂注入器；
图2是试剂注入器的分解立体图；
图3是穿过图2中所描绘的注入器所截取的剖视图；
图4是穿过在图2和图3中描绘的注入器的管壳组件所截取的另一剖视图；
图5是注入器的放大的局部剖视图；
图6是先前描绘的注入器的一部分的局部立体图；
图7是注入器的局部剖视立体图；
图8是具有注入器组件的组装工具的立体图；以及
图9是具有组装工具的组件的平面图。
贯穿附图的若干视图，相应的附图标记指示相应的部分。
具体实施方式
现在参考附图更充分地描述示例性的实施例。
应该理解的是，虽然可以关于柴油机和NOx排放的减少来描述本教导，但是可以在多个废气流中的任何一个中使用本教导，上述多个废气流，通过非限制性的方式，例如为来自柴油、汽油、涡轮、燃料电池、喷气式飞机或任何其他输出排放流的能量源的废气流。此外，本教导可以用于减少多个不想要的排放中的任何一个。例如，用于柴油颗粒过滤器再生的碳氢化合物的注入也在本发明的范围内。对于另外的描述，应该将注意力引导到于2011年11月1日发布的、名称为“用于注入雾化的流体的方法和装置”的、共同提出的美国专利No.8,047,452，通过引用的方式将其并入本申请。
参考附图，提供了一种用于从内燃机21的废气中减少NOx排放的污染控制系统8。在图1中，系统元件之间的实线表示试剂的流动路径，虚线表示电气连接。本教导的系统可以包括用于保存试剂的试剂池10以及用于从池10传送试剂的传送模块12。试剂可以是尿素溶液、碳氢化合物、烷基酯、酒精、有机化合物、水等，并且可以是它们的混合或组合。还应该明白的是，一个或多个试剂在系统中可以是可用的，且其可以被单独地或组合地使用。池10和传送模块12可以形成集成的试剂池/传送模块。作为系统8的一部分，还提供了电子注入控制器14、试剂注入器16以及排气系统18。排气系统18包括向至少一个催化剂床提供废气流的排气管道19。
传送模块12可以包括通过供应线路9从池10供应试剂的泵。试剂池10可以是聚丙烯、环氧涂层碳钢、PVC或不锈钢的，并且根据应用确定其尺寸(例如，车辆尺寸、车辆的使用目的等)。可以提供压力调节器(未示出)以将系统维持在预定的压力设定点(例如，大约60-80psi的相对低压、或在一些实施例中大约60-150psi的压力)，并且压力调节器可以位于从试剂注入器16返回的返回线路35中。压力传感器可以被设置在通向试剂注入器16的供应线路9中。该系统还可以包含各种防冻措施以对冻住的试剂进行解冻或避免试剂冻住。在系统运行期间，不管注入器是否在将试剂释放到废气中，试剂均可以在池10和试剂注入器16之间连续地循环，以冷却注入器并最小化试剂在注入器中的停留时间，以便试剂保持冷却。对于诸如尿素水之类的温度敏感的试剂来说，连续的试剂循环可能是必需的，上述温度敏感的试剂在暴露于如在发动机排气系统中会经历的300℃到650℃的高温时易于固化。
此外，将试剂的混合物保持低于140℃可能是令人满意的，并且优选地，在5℃和95℃之间的更低的工作范围内，以确保避免试剂的固化。如果允许形成固化的试剂，则固化的试剂会阻塞注入器的移动部分和开口。
所需的试剂的量可以随着负载、废气温度、废气流、发动机燃料注入时间、所需的NOx减少量、气压、相对湿度、再循环排气率以及发动机冷却剂温度而变化。NOx传感器或仪表25设置在催化剂床17的下游。NOx传感器25可被操作以向发动机控制单元27输出指示排出的NOx含量的信号。可以通过发动机/车辆数据总线从发动机控制单元27向试剂的电子注入控制器14供应发动机运行参数中的全部或一些。试剂的电子注入控制器14也可以被包含为发动机控制单元27的一部分。可以通过相应的传感器来测量废气温度、废气流和排气背压以及其他的车辆运行参数。
参考图2-7，将进一步描述试剂注入器16。试剂注入器16包括管壳体组件50、电磁体组件52、安装板54、入口组件56、以及出口组件58。管壳体组件50包括固定到管的内体62的管的外体60。外体60包括第一端64和相对的第二端66。多个在圆周方向间隔开的开口延伸穿过外体60。外体60包括内表面72，该内表面72限定了具有减小的直径部分75的大致的圆柱形腔孔73。外体60也包括扩大的直径部分74。内体62是具有腔孔78的大致的空心管，腔孔78包括第一减小的直径部分80以及第二扩大的直径部分82。扩大的直径部分82的尺寸被设置成在外体60的减小的直径部分75中紧密配合。使用激光焊接工艺将内体62固定到外体60。激光焊缝86沿圆周方向延伸以在内体62与外体60之间形成密封，使得下腔90与上腔92相分离。下腔90形成供应通道的一部分。
外壳组件50还包括下引导件96、槽盘98、以及孔板100。下引导件96包括大致的圆柱形外表面102，其尺寸被设置成在外体60的减小的直径部分75内紧密配合。腔孔104延伸穿过下引导件96以允许流体从该腔孔穿过。腔孔104包括扩大的直径部分106，其大小被设置成接收内体62。多个入口110在圆周方向彼此间隔开，并延伸穿过圆柱形外表面102与腔孔104连通。多个旁通口112将入口110与内体62的腔孔78互连。腔孔104也包括引导部分116。可以预期的是，下引导件96是由诸如17-4MIM的材料金属注射成型的。
槽盘98可以由具有严密控制的厚度的一块或一片材料构成。槽盘98可以由304不锈钢构成，且其包括多个冲压或激光切割的槽120。可供替换地，槽盘98可以是由17-4MIM金属注射成型的。槽120为弧形且在圆周方向上彼此间隔开。槽120被定向为与入口110流体连通。为了确保该定向，被标识为120a的槽120中的一个在圆周方向上比其他的槽延伸更大的弧长。结合在图8和9中描绘的组装工具124使用该不对称的特征，以确定将槽盘98以期望的方向固定到下引导件96。组装工具124包括多个在圆周方向上间隔开的柱126，柱126中的每一个均包括从其处延伸的柄脚128。被标识为柄脚128a的一个柄脚在圆周方向上比其他的柄脚128延伸更大的弧长。为了组装下引导件96和槽盘98，将下引导件96放置在组装工具124内。随后，槽盘被定向为使槽120a与柄脚128a对准，以允许槽盘98接合下引导件96。接着，电子束焊接将槽盘固定到下引导件96。下引导件96和槽盘98的子组件可以用于组装管壳组件50。
槽盘98包括与槽120流体连通的多个涡流槽132。涡流槽132中的每一个均包括大致直线部分134和圆形部分136。涡流槽132将涡流运动传递到所注入的、穿过入口110和槽120的试剂。
孔板100包括与锥形阀座142同轴对准的孔140。涡流槽132的圆形部分136限定了与孔140和锥形阀座142同轴对准的圆。孔板100包括外圆周表面148，外圆周表面148的尺寸被设置成与外体60的减小的直径部分75紧密配合。使用将孔板100密封连接到外体60的电子束焊接工艺将孔板100固定到外体60。
阀构件154可滑动地位于腔孔73的扩大的部分74中。阀构件154包括细长的销156，该销156具有圆锥形的第一端158和相对的第二端160。第一端158可与孔板100的阀座142选择性地接合，以当阀构件154落座时限定阀构件154的密封且关闭位置。当销156从阀座142分离开时，存在未密封的、开启位置。阀座142可以是示出的圆锥形或锥状，以与销156的锥形的第一端158互补，从而限制试剂流过孔140。根据应用和操作环境，销156和孔板100可以由碳化物材料制成，这些材料可以提供期望的性能特性，并且可以被更容易且更划算地制造。碳化物可以提供另外的优点，例如对可能在范围870-980℃内的钎焊温度不敏感，这与可能失调的碳钢相反。当与大多数其他钢的可获得的硬度相比，碳化物还可以提供增加的表面硬度。针对整体耐磨性，碳化物也是有优势的。孔板100可以可供选择地由沉淀硬化的材料、CPM S90V或440C不锈钢构成。
销头162被固定到销156的第二端160。销头162可滑动地位于腔孔73的扩大的部分74中并且其包括延伸穿过其的多个在圆周方向上间隔开的孔170。在销头162与内表面72之间的运动类滑动配合向阀构件154提供了上引导件，以沿注入轴线155平移。在下引导件96的引导部分116与销156之间的滑动表面处形成下阀构件引导件。基于将内表面72设置为孔板100、下引导件96、以及销头162的基准，阀构件154与阀座142和孔140准确地对准。
极靴174的尺寸被设置成容纳在腔孔73中。使用诸如电子束焊接或激光焊接之类的工艺将极靴174固定到外体60。细长的极靴174包括延伸穿过其的中央腔孔184。中央腔孔184与腔孔73同轴地对准。限流板186设置在极靴174的凹部中。扩孔190从极靴174的一端192向内延伸。压缩弹簧194位于扩孔190中，对销头162施加偏压地接合，以将阀构件154推进到与阀座142的接合中。
电磁体组件52包括缠绕线轴202的导线的线圈200。销头162由诸如430不锈钢之类的磁性材料制造，使得线圈200的通电产生将销头162推向极靴174的磁场。当线圈200通电时，销156的第一端158从阀座142脱离，以允许试剂流过孔140。可以通过接到超模压外壳208的插座206来向线圈200提供电能，例如，响应来自电子注入控制器14的信号。
通量框架210包括围绕线轴202和线圈20的管212。端盖214从管212延伸到外体60的外表面。安装板54提供通量框架210的剩余部分。但是，安装板54不是包含线圈200、线轴202、管212、端盖214、插座206和超模压外壳208的超模压子组件的一部分。外壳208包括柄脚216，设置其大小和形状以容纳在安装板54的键槽218中。一旦柄脚216驻留在键槽218中，就确保了在安装板54的入口基座220与插座206之间的相对的角定向。
管壳组件50延伸穿过电磁体组件52以及安装板54。外体60被激光焊接到安装板54的紧邻安装板54的安装平面222处以及紧邻销头162的位置处。激光焊缝不间断地延伸360度以在安装板54与外体60之间形成密封。不需要另外的弹性密封件。
入口组件56包括300系列的不锈钢管230和入口过滤器232。入口管230通过诸如激光焊接之类的工艺固定到安装板54的基座220。入口管230与延伸穿过安装板54的入口通道234流体连通。入口通道234与延伸穿过外体60和腔90或供应通道90的每一孔68流体连通。
出口组件58包括300系列不锈钢出口管236和出口过滤器238。出口管236包括第一端240，其尺寸被设置成能够容纳在形成在超模压外壳208中的凹部242中。出口管236被激光焊接到外体60以保持出口组件58与安装板54之间的电磁体组件52。出口管236与极靴174的中央腔孔184流体连通。
当试剂注入器16的销156处于关闭位置时，提供了闭环试剂流体路径。通过传送模块12从试剂池10向入口管230提供试剂。试剂穿过入口过滤器232、入口通道234、和孔68进入供应通道或下腔90。试剂继续流过入口110和旁通口112进入返回通道或内体62的腔孔。加压的试剂继续流过销头162的孔170以及极靴174的中央腔孔184。限流板186包括孔244，通过孔244控制试剂的返回流速率。出口管236接收返回到池10的试剂。当试剂未被注入到排气系统中时，试剂被连续地泵，以流过下引导件96并将热从孔板100传送至存储在池10中的试剂。
当电磁体组件52通电时，将销156从阀座142移开。与槽120连通的加压试剂流过每个涡流槽132进入由圆形部分136、下引导件96、销156和孔板100限定的涡流腔250。基于孔140和涡流槽132之间的压力差，以及涡流槽132到涡流腔250的切向关系，引起了快速移动的循环试剂运动。孔140处的低压与以涡流方式运动的加压试剂结合，创造了从孔140排出的精细的雾化喷雾。没有从孔140排出的试剂如先前所描述的被继续再循环。
应该明白的是，可能需要改变试剂从孔140排出的喷射角度。已经发现，通过改变由圆形部分136限定的圆的直径并且因此改变涡流腔250的直径，也可以改变总体包括的试剂喷雾从孔140排出角度。例如，可以改变槽数、槽宽、以及板的厚度以实现期望的喷射角度。这样的话，可以提供一系列的注入器，除了具有定制的几何形状的不同槽盘以产生所期望的喷射角度之外，其中的每一个都具有相同的组件。与加工相对复杂的注入组件相比较，提供一系列不同的槽盘更便宜和更简单。
此外，前述的讨论仅公开和描述了本发明的示例性实施例。本领域的技术人员将容易从这样的讨论以及从附图和权利要求书认识到，可以在不偏离如在随后的权利要求书中所限定的本发明的精神和范围的情况下，在其中进行各种改变、修改和变化。

Claims (23)

1.一种用于将试剂注入到废气流中的注入器，包括：
电磁体；
内管；
外管，其延伸穿过电磁体并围绕内管，内管的第一端被密封地固定到外管的内表面；
引导构件和孔板，它们各自被密封地固定到外管的内表面，其中，内管的第二端通过引导构件对准；以及
可移动的阀构件，其包括通过外管的内表面引导的销头，以将阀构件与延伸穿过孔板的孔对准。
2.根据权利要求1所述的注入器，所述注入器还包括极靴，所述极靴邻近销头定位并被固定到外管的内表面。
3.根据权利要求2所述的注入器，其中，极靴包括腔孔，所述腔孔容纳对销头施加远离极靴的偏压的弹簧。
4.根据权利要求1所述的注入器，其中，电磁体包括缠绕线轴的导线的线圈、围绕导线的通量框架以及封装导线、线轴和通量框架的塑料外壳。
5.根据权利要求1所述的注入器，其中，外管包括容纳试剂的孔，该孔轴向地位于电磁体和孔板之间。
6.根据权利要求5所述的注入器，其中，内管和外管至少部分地限定试剂流过的供应通道。
7.根据权利要求6所述的注入器，所述注入器还包括延伸穿过销头和极靴的、用于允许试剂再循环的返回通道。
8.根据权利要求7所述的注入器，所述注入器还包括位于孔板与引导构件之间的槽盘，该槽盘包括延伸穿过槽盘的涡流口，其中，引导构件包括与涡流口对准的入口，以在供应通道和孔之间提供流体连通。
9.根据权利要求8所述的注入器，其中，引导构件包括在供应通道和返回通道之间提供流体连通的旁通口。
10.根据权利要求9所述的注入器，其中，槽盘包括多个在圆周方向上间隔开的涡流口以及从涡流口延伸并在涡流腔终止的相对应的多个涡流槽。
11.根据权利要求10所述的注入器，其中，每个涡流槽包括大致直线部分和圆形部分，该圆形部分限定涡流腔的外径。
12.根据权利要求1所述的注入器，所述注入器还包括位于电磁体第一侧的安装件和位于电磁体相对的第二侧的出口管，该安装件和出口管被固定到外管，以将电磁体保持在该安装件和出口管之间。
13.根据权利要求12所述的注入器，其中，外管和安装件在各自轴向的间隔开的位置处彼此密封地固定，以限制加压的试剂从注入器泄漏。
14.根据权利要求13所述的注入器，其中，安装件形成围绕电磁体的通量框架的一部分。
15.一种用于将试剂注入到废气流的注入器，包括：
外壳；
电磁体，其被连接到外壳；
槽盘，其包括在圆周方向上间隔开的、穿过槽盘延伸的多个涡流口，所述槽盘还包括在各涡流口之间延伸并在涡流腔处终止的涡流槽，其中每个涡流槽包括大致直线部分和圆形部分，所述圆形部分限定了涡流腔的外径；
孔板，其包括孔且被固定到槽盘；以及
阀构件，基于电磁体的通电，所述阀构件能够在外壳内的限制试剂从孔排出的关闭位置和允许试剂穿过孔的开启位置之间移动，其中当阀构件处于开启位置时，试剂被泵过涡流口、涡流槽和涡流腔。
16.根据权利要求15所述的注入器，其中，外壳包括延伸穿过电磁体的外管和位于外管内部的内管。
17.根据权利要求16所述的注入器，其中，内管的第一部分被固定到外管，且内管的第二部分与外管隔开从而限定试剂供应通道。
18.根据权利要求17所述的注入器，其中，电磁体包括缠绕线轴的导线的线圈、围绕导线的通量框架以及封装导线、线轴和通量框架的塑料外壳。
19.根据权利要求18所述的注入器，所述注入器还包括位于电磁体第一侧的安装件和位于电磁体相对的第二侧的出口管，该安装件和出口管被固定到外管，以将电磁体保持在该安装件和出口管之间。
20.根据权利要求19所述的注入器，所述注入器还包括被固定到安装件的入口管、延伸穿过安装件的入口通道、以及延伸穿过外管使入口管与供应通道流体连通的孔。
21.根据权利要求20所述的注入器，所述注入器还包括：邻近阀构件定位且被固定到外管的极靴，以及延伸穿过阀构件和极靴以允许试剂再循环的返回通道。
22.根据权利要求21所述的注入器，所述注入器还包括引导构件，该引导构件包括在供应通道和返回通道之间提供流体连通的旁通口。
23.根据权利要求22所述的注入器，其中，外管和安装件在各自轴向的间隔开的位置处彼此密封地固定，以限制加压的试剂从注入器泄漏。
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