CN109424402A - 具有主动热传递的双壁混合器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有主动热传递的双壁混合器。车辆排气系统包括外壳体，外壳体限定围绕轴线的内腔；入口挡板，入口挡板构造成将发动机排气引导到内腔中，喷射器，喷射器构造成将流体喷到内腔中以与发动机排气混合；以及内壁，内壁与外壳体的内表面径向向内间隔开以限定间隙。内壁具有面向轴线的冲击侧部和面向间隙的非冲击侧部。至少一个加热元件与非冲击侧部相关联以对内壁进行主动加热来减少在冲击侧部上形成喷雾沉积物。

Description

具有主动热传递的双壁混合器
技术领域
排气系统通过各种排气部件传导由发动机产生的热排气以减少排放物并且控制噪音。排气系统包括喷射系统，该喷射系统在选择性催化还原(SCR)催化器的上游喷射流体比如柴油机排气处理液(DEF)或还原剂比如尿素和水的溶液。混合器定位在SCR催化器的上游并且将发动机排气与尿素转化的产物混合。喷射系统包括将尿素喷到排气流中的计量器。尿素在到达SCR催化器之前应被尽可能地转化成氨(NH3)。因此，液滴的喷射尺寸在实现这个目标中起重要作用。
背景技术
本行业正朝着提供更紧凑的排气系统的方向发展，这导致系统的体积减小。喷射较大尺寸的液滴的系统在用于更紧凑的系统构型时可能不能提供充分的尿素转化。因此，对于这些更紧凑的构型需要更小液滴尺寸的计量器。
由于表面接触面积增加，因此液滴尺寸越小，转化成氨的效率越高。然而，通过小液滴计量器产生的喷雾易受再循环流的影响。通常，位于计量器的梢部处的区域具有再循环流的涡流。该涡流将喷雾液滴朝向混合器的壁推动并且推动到计量器的梢部上，这形成了沉积物的起始位点。沉积物随着时间的推移积聚并且能够对系统操作产生不利影响。潜在的不利影响可能包括：在主动柴油微粒过滤器(DPF)再生期间氨均匀指数较低、混合器压降增加或氨排放量较高。
发明内容
在一个示例性实施方式中，提供了一种车辆排气系统，该车辆排气系统包括外壳体，外壳体限定围绕轴线的内腔；入口挡板，入口挡板构造成将发动机排气引导到内腔中；喷射器，喷射器构造成将流体喷到内腔中以与发动机排气混合；以及内壁，内壁与外壳体的内表面径向向内间隔开以限定间隙。内壁具有面向轴线的冲击侧部和面向间隙的非冲击侧部。至少一个加热元件与非冲击侧部相关联以对内壁进行主动加热来减少在冲击侧部上形成喷雾沉积物。
在上述实施方式的进一步实施方式中，至少一个加热元件包括厚膜加热器。
在上述任一实施方式中的进一步实施方式中，厚膜加热器包括正温度系数电阻加热器。
在上述任一实施方式中的进一步实施方式中，至少一个加热元件包括陶瓷加热器。
在另一示例性实施方式中，提供了一种减少在车辆排气系统的混合器中形成喷雾沉积物的方法，该方法包括提供如所述的外壳体和内壁并且使用与内壁的非冲击侧部相关联的至少一个加热元件来对内壁进行主动加热以减少在冲击侧部上形成喷雾沉积物。
在上述任一实施方式中的进一步实施方式中，沿着内壁的非冲击侧部施加厚膜加热器以提供加热元件。
在上述任一实施方式中的进一步实施方式中，厚膜加热器粘贴至内壁的非冲击侧部。
在上述任一实施方式中的进一步实施方式中，厚膜加热器印刷在内壁的非冲击侧部上。
在上述任一实施方式中的进一步实施方式中，在外壳体与内壁之间的间隙中形成径向外部排气通道，并且由内壁的冲击侧部限定径向内部排气通道，加热元件定位在径向外部排气通道内，并且附接至内壁的非冲击侧部。
在上述任一实施方式中的进一步实施方式中，入口挡板具有用于将发动机排气引导到径向内部排气通道中的至少一个第一开口和用于将发动机排气引导到径向外部排气通道中的至少一个第二开口。
在上述任一实施方式中的进一步实施方式中，厚膜加热器包括定位在间隙内的电加热器，并且电源通过至少一个电连接件附接至电加热器使得电源在内壁的温度低于预定的温度时施加第一电力水平并且在内壁的温度高于预定的温度时施加小于第一电力水平的第二电力水平。
在上述任一实施方式中的进一步实施方式中，提供至少一个护罩以保护电连接件至电加热器的连接接口。
根据以下说明书和附图将更好地理解本发明的这些特征及其他特征，以下是简要描述。
附图说明
图1图示了根据本发明的具有混合器的排气系统的一个示例。
图2A是具有构造成对内壁进行加热的主动加热元件的混合器的一个示例的立体图。
图2B是类似于图2A的视图，但是示出了安装在混合器中的入口挡板。
图3是出口挡板、内壁和主动加热元件的立体图。
图4示出了主动加热元件的一个示例。
图5类似于图3，但是示出了附接至内壁的主动加热元件。
具体实施方式
图1示出了车辆排气系统10，如已知的，该排气系统通过各种排气部件传导由发动机12产生的热排气以减少排放物并且控制噪音。各种排气部件可以包括以下中的一者或更多者：管道、过滤器、阀门、催化器、消声器等。如已知的，发动机排气在穿过各种排气部件后从系统10排出到大气中。
在图1中示出的一个示例构型中，排气部件将发动机排气引导到具有入口16和出口18的柴油氧化催化器(DOC)14中。在DOC 14的下游可以具有如已知的用于从排气去除污染物的柴油微粒过滤器(DPF)22。DPF具有入口24和出口26。DOC 14和可选的DPF 22的下游为具有入口30和出口32的选择性催化还原(SCR)催化器28。出口32将排气传送到下游排气部件34。可选地，部件28可以包括催化器，该催化器被构造成执行选择性催化还原功能和颗粒过滤功能。各种下游排气部件34可以包括以下中的一者或更多者：管道、另外的过滤器、阀门、另外的催化器、消声器等。这些排气部件可以根据车辆的应用和可用的封装空间以各种不同的构型和组合安装。
混合器36定位在SCR催化器28的入口30的上游和DOC 14的出口18或DPF 22的出口26的下游。上游催化器和下游催化器可以设置成相对于彼此成直排的、成平行的或成角度的。混合器36用于产生排气的涡旋运动或旋转运动。下面将对混合器36和排气的运动进行更详细的论述。
喷射系统38例如用于将流体比如DEF或还原剂比如尿素和水的溶液喷射到SCR催化器28上游的排气流中，使得混合器36可以将流体和排气完全混合在一起。喷射系统38包括流体供给器40、计量器或喷射器42和控制器44，如已知的，控制器44控制流体的喷射。
图2A至图2B示出了混合器36的一个示例。混合器36限定混合器中心轴线A(图1)并且具有入口端部46，该入口端部46构造成接收来自如图1所示的DPF 22的出口26或DOC 14的出口18的发动机排气。混合器36具有出口端部48以将涡旋的发动机排气和从喷射的流体转化的产物的混合物引导至SCR催化器28的入口30。混合器36包括外壳体50，外壳体50限定围绕轴线A的内腔52。内壁54与外壳体50的内表面56径向向内间隔开以限定间隙58。外壳体50还包括形成混合器36的外/最外表面的外表面60。构造成将流体喷到内腔52中以与发动机排气混合的喷射器42在安装区域62处安装至外壳体50。
内壁54具有面向轴线A的冲击侧部64和面向间隙58的非冲击侧部66。当喷射器42将流体喷到内腔52中以与涡旋的排气混合时，混合物被部分地朝向内壁54的包括冲击区的冲击侧部64引导。由于喷雾的温度低于排气的温度，因此喷雾可以在冲击区处对内壁54具有冷却作用使得喷雾的沉积物可能开始形成在内壁54的冲击侧部64上。
为了降低沉积物形成的可能性，混合器36包括至少一个主动加热元件70，主动加热元件70定位在间隙58内，并且与内壁54的非冲击侧部66接触。主动加热元件70构造成加热内壁54使得在冲击侧部64上形成喷雾沉积物的可能性显著降低。
入口挡板72(图2B)安装至混合器36的入口端部46并且构造成将发动机排气引导到内腔52中。混合器36还包括出口挡板74(图2A)，喷雾和排气的混合物通过该出口挡板74离开混合器36的出口端部48。在图2A中示出的示例中，出口挡板74包括具有主开口76和小于主开口76的多个次开口78的板，发动机排气和喷雾的混合物的大部分通过主开口76离开内腔52。次开口78有助于降低背压，并且可以构造成在各种组合中具有不同的形状、尺寸和/或样式。
入口挡板72包括具有至少一个第一入口开口80的板，至少一个第一入口开口80沿着入口挡板72的周边边缘82延伸。第一入口开口80可以至少部分地与主动加热元件70重叠，并且包括排气入口以将发动机热排气引导到间隙58中。该排气也有助于加热内壁54；然而，当车辆发动机开始起动时，或者当在低扭矩/低排气温度循环下操作时，内部排气部件的温度不够高，不足以阻止沉积物形成。主动加热元件70可以立即启动来加热内壁54以例如在操作期间将温度快速升高至足够高的温度比如250摄氏度以上，以防止沉积物形成。
在一个示例中，主动加热元件70沿周边方向绕轴线A延伸，并且入口开口80沿着入口挡板72的周边边缘82延伸且与包括主动加热元件70的内壁部分的整个周边长度重叠。另外或替代性地，入口开口80可以是一系列开口或仅与包括主动加热元件70的内壁的一部分重叠。在另一示例中，入口开口可以位于不与内壁部分重叠的位置处。
入口挡板72还包括一个或更多个第二入口开口84，第二入口开口84邻近于喷射器42和喷射器安装区域62定位以将发动机排气朝向进入内腔52的喷雾引导。在示出的示例中，第二入口开口84包括主开口76，主开口76的尺寸比入口挡板中的其他开口长。然而，第二入口开口84还可以形成为一系列开口。
在一个示例中，如图2A所示，混合器包括入口壳体86，入口壳体86至少部分地围绕入口锥部88，入口锥部88从外壳体50的内表面向内延伸。喷射器42(图1)安装至安装区域62使得流体喷雾进入入口锥部88的入口端部并然后向外发散以离开锥部88的出口端部。入口壳体86包括开口90，开口90有助于将排气朝向锥部88的入口端部引导以与流体喷雾混合。
入口挡板72还包括小于第一入口开口80和第二入口开口84的一个或更多个第三入口开口92。第三入口开口92定位在入口挡板72上以降低背压。第三入口开口92通常小于第二入口开口84。第三入口开口92可以构造成在各种组合中具有不同的形状、尺寸和/或样式。
注意，在公开的示例中示出的用于入口挡板72和出口挡板74的板仅是一个示例。应理解的是，板可以是平的或者具有波形的或螺旋形的板构型。另外或替代性地，各种入口开口和出口开口的数量和构型可以根据不同的应用而变化。
图3示出了内壁54和出口挡板74。喷雾沿着喷射轴线I喷射。由于喷雾的喷射速度，内壁54的冲击侧部64上的面对锥部88的出口端部的区域包括冲击区100。该冲击区100包括可能发生沉积物形成的区域。主动加热元件70直接安装至内壁54的非冲击侧部66并且用于主动加热该冲击区100以降低沉积物形成的可能性。
在一个示例中，主动加热元件70包括陶瓷加热器和/或电加热器。在图4中示出的一个示例中，主动加热元件70包括厚膜加热器，比如如图5所示的沿着内壁54的非冲击侧部66施加的正温度系数(PTC)电阻加热器。PTC电阻加热器例如可以直接粘贴或印刷至内壁54的非冲击侧部66。
在一个示例中，主动加热元件70通过至少一个电连接件106联接至电源104。电连接件106例如可以通过熔焊或钎焊附接。组件还包括至少一个护罩108以保护和稳定电连接件106至主动加热元件70的连接接口110。任何类型的护罩108比如板、帽、涂层等都可以应用在连接接口110处。
电源104可以是与车辆电源系统相关联的12V、24V或更优选为48V的电源。可选地，电源104可以是仅用于排气系统部件的专用电源。在一个示例中，控制器112主动地控制电源104以在内壁54的温度低于预定的温度时提供第一电力水平并且在内壁54的温度高于预定的温度时提供小于第一电力水平的第二电力水平。控制器112可以是车辆或发动机电子控制单元的一部分，或者可以是编程为控制电源104和主动加热元件70的专用电子控制单元。
温度传感器116可以用于测量壁54的温度并且将该温度传送至控制器112。因此，主动加热元件的电力需求随着温度升高而下降，这是因为排气系统的部件在车辆操作期间随着时间的推移而升温。一旦内壁温度达到峰值或预定的温度水平，则需要来自电源104的较低电力水平以将温度保持在期望的水平。
在一个示例中，内壁54由金属板组成并且主动加热元件70施加至非冲击侧部66上的一个或更多个预定的区域以在这些特定区域中直接加热金属板。这些区域的位置可以基于不同类型的混合器的类型、尺寸和喷射器安装方向而设置。
在一个示例中，主动加热元件70被安装成沿着内壁54的非冲击侧部66仅部分地绕轴线A延伸。这在图5中最佳地示出，其中主动加热元件70被安装成仅覆盖内壁54的一部分。在一个示例中，主动加热元件70在与包括冲击区100的冲击侧部64正相反的位置处安装至内壁54的非冲击侧部66。如上所述，外壳体50周向地延伸并且完全围绕位于外壳体50的中心处的轴线A。内壁54仅部分地绕轴线A延伸。换句话说，内壁54没有完全围绕轴线A。在图2A中示出的示例中，内壁54具有至少部分地由入口壳体86支承的第一端部94，并且周向地延伸至第二端部96，第二端部96与第一端部94周向地间隔开一定间隙。
外壳体50与内壁54之间的区域形成径向外部排气通道，而内壁54的径向向内的区域包括径向内部排气通道。入口开口80将排气引导到径向外部排气通道中并且剩余的入口开口76、84、92将排气引导到径向内部排气通道中。在一个示例中，主动加热元件70延伸第一周向长度并且内壁54延伸比第一周向长度大的第二周向长度。主动加热元件70的周向长度可以根据需要变化以在冲击区区域处加热内壁54。
本发明使用主动控制的加热元件70来对内壁54进行加热以防止/减少在内壁54的冲击侧部66上形成沉积物。对内壁54进行加热还导致了结晶减少，从而改善了尿素性能并且降低了背压。
尽管已经公开了本发明的实施方式，但是本领域的普通技术人员将理解的是，某些改型将落入本发明的范围内。鉴于此，应当研究所附权利要求以确定本发明的真实范围和内容。

Claims (20)

1.一种车辆排气系统，包括：
外壳体，所述外壳体限定围绕轴线的内腔；
入口挡板，所述入口挡板构造成将发动机排气引导到所述内腔中；
喷射器，所述喷射器构造成将流体喷到所述内腔中以与发动机排气混合；
内壁，所述内壁与所述外壳体的内表面径向向内间隔开以限定间隙，其中，所述内壁具有面向所述轴线的冲击侧部和面向所述间隙的非冲击侧部；以及
至少一个加热元件，所述至少一个加热元件与所述非冲击侧部相关联以对所述内壁进行主动加热来减少在所述冲击侧部上形成喷雾沉积物。
2.根据权利要求1所述的车辆排气系统，其中，所述至少一个加热元件包括厚膜加热器。
3.根据权利要求2所述的车辆排气系统，其中，所述厚膜加热器包括正温度系数电阻加热器。
4.根据权利要求3所述的车辆排气系统，其中，所述正温度系数电阻加热器沿着所述内壁的所述非冲击侧部的预定长度施加，并且其中，所述预定长度定位成与所述喷射器相对。
5.根据权利要求3所述的车辆排气系统，包括联接至所述正温度系数电阻加热器的电源，并且其中，所述电源在所述内壁低于预定的温度时提供第一电力水平并且在所述内壁高于所述预定的温度时提供小于所述第一电力水平的第二电力水平。
6.根据权利要求1所述的车辆排气系统，其中，所述外壳体包括弯曲的壳体，并且其中，所述内壁包括弯曲的壁部分，所述弯曲的壁部分与所述外壳体的所述内表面径向向内间隔开使得在所述外壳体与所述内壁之间的所述间隙中形成径向外部排气通道，并且由所述内壁的所述冲击侧部至少部分地限定径向内部排气通道，并且其中，所述至少一个加热元件包括电加热器，所述电加热器定位在所述径向外部排气通道内并且附接至所述弯曲的壁部分的所述非冲击侧部。
7.根据权利要求6所述的车辆排气系统，其中，所述入口挡板包括进入所述径向内部排气通道的至少一个开口和进入所述径向外部排气通道的至少一个开口。
8.根据权利要求1所述的车辆排气系统，其中，所述至少一个加热元件包括电加热器，所述电加热器定位在所述间隙内并且包括通过至少一个电连接件附接至所述电加热器的电源。
9.根据权利要求8所述的车辆排气系统，包括至少一个护罩以保护所述电连接件至所述电加热器的连接接口。
10.根据权利要求8所述的车辆排气系统，其中，所述内壁由金属材料构成，并且其中，所述电源在所述金属材料的温度低于预定的温度时提供第一电力水平并且在所述金属材料高于所述预定的温度时提供小于所述第一电力水平的第二电力水平。
11.根据权利要求1所述的车辆排气系统，其中，所述至少一个加热元件包括陶瓷加热器。
12.一种减少在车辆排气系统的混合器中形成喷雾沉积物的方法，所述方法包括：
提供限定围绕轴线的内腔的外壳体；
将入口挡板相对于所述外壳体定位以将发动机排气引导到所述内腔中；
将喷射器安装至所述外壳体使得所述喷射器将流体喷射到所述内腔中以与发动机排气混合；
将内壁与所述外壳体的内表面径向向内间隔开以限定间隙，其中，所述内壁具有面向所述轴线的冲击侧部和面向所述间隙的非冲击侧部；以及
将至少一个加热元件与所述非冲击侧部相关联以对所述内壁进行主动加热来减少在所述冲击侧部上形成喷雾沉积物。
13.根据权利要求12所述的方法，包括沿着所述内壁的所述非冲击侧部施加厚膜加热器以提供所述加热元件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述厚膜加热器包括正温度系数电阻加热器。
15.根据权利要求13所述的方法，包括将所述厚膜加热器粘贴至所述内壁的所述非冲击侧部。
16.根据权利要求13所述的方法，包括将所述厚膜加热器印刷在所述内壁的所述非冲击侧部上。
17.根据权利要求13所述的方法，包括在所述外壳体与所述内壁之间的所述间隙中形成径向外部排气通道，并且由所述内壁的所述冲击侧部限定径向内部排气通道，将所述加热元件定位在所述径向外部排气通道内，并且将所述加热元件附接至所述内壁的所述非冲击侧部。
18.根据权利要求17所述的方法，包括为所述入口挡板提供用于将发动机排气引导到所述径向内部排气通道中的至少一个第一开口和用于将发动机排气引导到所述径向外部排气通道中的至少一个第二开口。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述厚膜加热器包括电加热器，所述电加热器定位在所述间隙内，并且所述方法包括将电源通过至少一个电连接件附接至所述电加热器，使得所述电源在所述内壁的温度低于预定的温度时施加第一电力水平并且在所述内壁的温度高于所述预定的温度时施加小于所述第一电力水平的第二电力水平。
20.根据权利要求19所述的方法，包括提供至少一个护罩以保护所述电连接件至所述电加热器的连接接口。
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