CN110017198A - 混合器与阀组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种用于车辆排气系统的混合器组件，该混合器组件包括：混合器壳体，该混合器壳体限定内腔，该内腔构造成接纳发动机排气；以及上游挡板，该上游挡板定位在混合器壳体的入口端部处。上游挡板包括具有开口区域的板，开口区域包括固定几何构型，排气通过开口区域进入内腔。阀能够从闭合位置朝向打开位置移动以提供可变几何构型，该可变几何构型改变开口区域以减小回压。

Description

混合器与阀组件
背景技术
排气系统通过多种排气部件传导由发动机产生的热排气以减少排放并控制噪音。排气系统包括喷射系统，该喷射系统将柴油机排气流体(DEF)或者比如说例如水和尿素的溶液之类的还原剂喷射在选择性催化还原(SCR)催化器的上游。混合器定位在SCR催化器的上游，并且混合器将发动机排气与尿素转化产物混合。喷射系统包括将尿素喷射到排气流中的定量配给器。尿素应当在到达SCR催化器之前尽可能多地转化为氨(NH3)。因此，液滴喷雾的尺寸在实现该目标中起重要作用。
产业正朝着提供更紧凑的排气系统的方向发展，这种发展趋势使得排气系统的体积减小。喷射较大尺寸液滴的喷射系统当在更紧凑的排气系统构型中使用时可能无法提供充分的尿素转化。因此，这些更紧凑构型需要液滴尺寸更小的定量配给器，以使得尿素更有效地转化成氨。然而，通过小型液滴定量配给器产生的喷雾易受回流影响，这会导致沉积物生成的增加。
此外，如已知的，混合器内的回压随着通过混合器的体积排气流量的增加而增大。增大的回压提供了减少沉积物生成的益处。在具有较低体积流量并因此具有由混合系统产生的较低回压的发动机操作点处，沉积物生成的风险更高。沉积物会随着时间的推移而累积并对系统操作产生不利影响。
发明内容
在一个示例性实施方式中，用于车辆排气系统的混合器组件包括：混合器壳体，该混合器壳体限定内腔，该内腔构造成接纳发动机排气；以及上游挡板，该上游挡板定位在混合器壳体的入口端部处。上游挡板包括具有开口区域的板，开口区域包括固定几何构型，排气通过开口区域进入内腔。阀能够从闭合位置朝向打开位置移动以提供可变几何构型，该几何构型改变开口区域以减小回压。
在另一个示例性实施方式中，车辆排气系统包括：第一排气部件，该第一排气部件构造成接纳发动机排气；第二排气部件，该第二排气部件位于第一排气部件下游；以及混合器，该混合器定位在第一排气部件与第二排气部件之间。混合器包括外壳体，该外壳体限定用于接纳来自第一部件的发动机排气的内腔。外壳体包括至少一个喷射开口。混合器还包括定位在混合器壳体的入口端部处的上游挡板，其中，上游挡板包括具有开口区域的板，开口区域包括固定几何构型，排气通过开口区域进入内腔。阀能够从闭合位置朝向打开位置移动以提供可变几何构型，该可变几何构型改变开口区域以减小回压。阀响应于排气流量超过预定限值而朝向打开位置移动。定量配给器构造成将流体引入通过喷射开口并引入到内腔中而与发动机排气混合，从而提供向第二排气部件引导的混合物。
在另一示例性实施方式中，用于降低排气系统用的混合器中的回压的方法包括以下步骤：提供混合器壳体，该混合器壳体限定接纳发动机排气的内腔；将上游挡板定位在混合器壳体的入口端部处，该上游挡板包括具有开口区域的板，开口区域包括固定几何构型，排气通过开口区域进入内腔；以及当排气流量超过预定限值时，使阀从闭合位置朝向打开位置移动以提供可变几何构型，该可变几何构型改变开口区域以减小回压。
在上述实施方式中的任一实施方式的进一步实施方式中，上游挡板包括接纳阀的开孔，并且其中，当阀处于闭合位置时，混合器组件以固定几何构型操作，并且其中，当阀朝向打开位置移动时，混合器组件以可变几何构型操作。
在上述实施方式中的任一实施方式的进一步实施方式中，阀包括翻板，该翻板以与开孔成重叠关系的方式安装至上游挡板，并且阀包括用于将翻板向闭合位置偏置的弹性构件。
本申请的这些以及其他特点根据以下详述和附图将被最佳地理解，以下是附图的简要描述。
附图说明
图1图示地说明了根据本发明的具有混合器的排气系统的一个示例。
图2是具有上游挡板的混合器组件的立体图，该上游挡板具有用于阀的开口。
图3是类似于图2的视图，但是图3图示了安装在开口中的阀。
图4是如从出口端观察的图2的混合器组件的立体图。
图5A图示了图3的阀的立体图。
图5B图5A的阀处于闭合位置的侧视图。
图5C是图5A的阀处于部分打开位置的侧视图。
图6图示了具有固定几何结构的混合器和具有结合的可变几何结构与固定几何结构的混合器的回压与流量的曲线图。
具体实施方式
图1图示了车辆排气系统10，该车辆排气系统10如已知的那样通过多种上游排气部件14传导由发动机12产生的热排气以减少排放和控制噪音。多种上游排气部件14可以包括以下各者中的一者或更多者：管道、管、连接器、过滤器、阀、催化器、消声器、谐振器等。在一种示例性构型中，上游排气部件14将发动机排气引导到具有入口18和出口20的柴油机氧化催化器(DOC)16中。
如已知的，DOC 16的下游可以有用于从排气中去除污染物的柴油机微粒过滤器(DPF)21。DOC 16和可选的DPF 21的下游为具有入口24和出口26的选择性催化还原(SCR)催化器22。出口26将排气传递到下游的排气部件28。可选地，部件22可以包括构造成用于执行选择性催化还原功能和颗粒过滤功能的催化器。多种下游排气部件28可以包括以下各者中的一者或更多者：管道、管、连接器、过滤器、阀、催化器、消声器、谐振器等。这些上游排气部件14、下游排气部件28和其他多种部件16、21、30、22可以根据车辆应用和可用的安装空间以多种不同的构型和组合安装。
在一种示例性构型中，混合器30定位在DOC 16或者DPF 21的出口20的下游并且定位在SCR催化器22的入口24的上游。上游的催化器和下游的催化器可以排成一行或者是平行的。混合器30用于使排气产生涡流或产生旋转运动。
喷射系统32用于将柴油机排气流体和/或比如说例如水和尿素的溶液之类的还原剂喷射到SCR催化器22上游的排气流中，使得混合器30可以将流体与排气充分混合在一起。喷射系统32将流体喷射到排气流中，使得尿素液滴经受汽化和水解作用以形成氨气。在将混合物引导至SCR催化器22之前，混合器30将氨气与排气流充分混合。如已知的，氨吸附在催化剂上并与NOx发生反应。
喷射系统32包括流体供应装置34、控制流体喷射的控制器36、以及主供应器或主喷射器38。在一个示例中，主喷射器38包括将流体喷射到混合器30中的定量配给器。混合器30包括混合器本体，该混合器本体具有构造成接纳发动机排气的入口端部42和用于将涡流的发动机排气与由尿素转化的产物的混合物引导至SCR催化器22的出口端部44。可以用于排气系统10中的混合器30的示例可以在USP 8,661,792以及申请号为12/57693、12/57886和12/57768的共同未决的美国申请中找到，上述申请同样被转让给本申请的受让人并且在此通过引用并入。
如一个示例性构型中所示，混合器30(图2)包括混合器外壳体46，该混合器外壳体46限定内腔，在混合器外壳体46处，入口端部42构造成接纳发动机排气，并且出口端部44构造成将涡流的发动机排气与由尿素转化的产物的混合物引导至SCR催化器22或者其他下游排气部件。进一步地，混合器30包括被外壳体46包围的上游挡板50(图2至图3)和下游挡板52(图4)。上游挡板50构造成引发排气流的涡流。外壳体46包括外周表面54和朝向混合器中心轴线A面向内的内周表面56(图4)。外壳体46的外周表面54包括在上游挡板50和下游挡板52之间的位置处形成的开口48。开口48构造成接纳主流体供应器/喷射器38。在一个示例中，歧管68用于便于将喷射器38安装至壳体46。多种歧管的示例可以在如上文所参考的受让人的其他申请中找到。
入口端部42处的上游挡板50可以包括一个或更多个大的入口开口60，所述一个或更多个大的入口开口60可以接纳大部分排气(例如，大的入口开口60接纳60％的排气质量流量)，并且所述一个或更多个大的入口开口60构造成引发涡流运动。上游挡板50还可以包括确保排气的最佳均匀化并减小回压的一个或更多个穿孔、槽、或额外的开口62。当排气进入混合器30的入口端部42时，上游挡板50和多个开口60、62协作以引发排气的涡流运动。应当理解的是，所公开的上游挡板50仅是上游挡板的一个示例，并且挡板可以包括不同形状的构型和/或不同数量和样式的开口。
如图4所示，下游挡板52可以包括供大部分排气离开的大的出口开口64。下游挡板52还可以包括供排气离开的一个或更多个额外的出口开口66。在一个示例中，下游挡板52包括螺旋状部分70，并且大的出口开口64包括主出口开口并且大于其他出口开口66。螺旋状部分70可以包括额外的出口开口66。应当理解的是，所公开的下游挡板52仅是下游挡板的一个示例，并且该挡板可以包括不同形状的构型和/或不同数量和样式的开口。
在一个示例中(图2至图3)，上游挡板50包括具有边缘74的螺旋状部分72，边缘74围绕挡板50的附接至壳体46的外周缘形成。大的入口开口60包括主入口开口并且可以大于其他开口62。在所示示例中，上游挡板50包括具有平坦的外围部分76的穹顶部分，平坦的外围部分76包括额外的较小的开口62。螺旋状部分72围绕轴线A在下游方向上从部分76的一个边缘朝向主入口开口60弯曲。壁部分78在下游方向上从平坦部分76的相反的边缘朝向主入口开口60延伸。在一个示例中，部分76包括大约一半的入口挡板50，并且螺旋状部分72包括另一半的入口挡板50；然而，也可以使用其他百分比。此外，上游挡板可以可选地包括不具有螺旋状部分的平的板。
在所示示例中，螺旋状部分72没有额外的开口62并且包括一个单一开口或开孔80。阀82安装在该开孔80内并且该阀82能够在完全闭合位置(图5B)与打开位置(图5C)之间移动。当阀82处于完全闭合位置时，上游挡板50包括具有开口区域的板结构，开口区域包括固定几何构型，排气通过开口区域进入设置于壳体46内、上游挡板50与下游挡板52之间的内腔。在特定条件下，阀82从闭合位置朝向打开位置移动以提供可变的几何构型，该可变的几何构型改变开口区域以减小回压。
在一个示例中，阀82响应于排气流量超过预定限值而朝向打开位置移动。当排气在翻板表面上施加的压力将对应于超过弹簧抗力的力时，阀打开。弹簧抗力可以根据需求调节。在另一个示例中，阀可以通过控制器和电动致动器或者气动致动器进行主动控制。
采用固定几何构型的开口区域包括主开口60，排气通过该主开口60以及比主开口60小的任一副开口62进入内腔。当阀82处于闭合位置时，由于开口60、62的尺寸保持固定并且上游挡板50中的开口区域保持不变，因而混合器30以固定几何构型操作。当阀82响应于增加的排气流量而朝向打开位置移动时，由于开孔80变为未被覆盖，因而混合器30以可变几何构型操作。在阀朝向完全打开位置移动的同时，因为开孔80的更多区域在打开运动期间未被覆盖，因而开口区域产生变化。因此，当阀82朝向打开位置移动时，开口区域通过开孔80的暴露而增大以减小回压。
图5A至图5C中更详细地示出了阀82。在一个示例中，阀82包括配装在开孔80内的框架84。框架82具有较短的管状部分86，该较短的管状部分86在上游方向上延伸以穿过开孔80配装并使阀82安置于上游挡板50内。凸缘88围绕管状部分86的周缘在径向向外方向上延伸并且面朝挡板50的内表面。阀82包括翻板90，翻板90以与开孔80成重叠关系的方式安装在上游挡板50的下游侧部上。翻板90的上游侧部抵靠框架84的凸缘88安置以限定完全闭合位置。因此，翻板90响应于增大的排气流压力而打开进入混合器的内腔中。
在一个示例中，片状件92将翻板90附接至框架84。框架84包括从凸缘88径向朝外延伸的延伸部94。片状件92的一个端部附接至延伸部94并且片状件92的相反端部附接至翻板90。片状件92可以以熔焊、钎焊、紧固等方式附接至框架84和/或翻板90。片状件92附接至翻板90的外边缘，使得翻板90可以通过附接至延伸部94而相对于框架84枢转以限定枢轴P。因此，片状件92是能够使翻板90在打开位置与闭合位置之间移动的挠性构件。
在一个示例中，弹性构件将翻板90向闭合位置偏置。在一个示例中，弹性构件包括与翻板90的枢转边缘相关联的弹簧96。
阀82还可以包括用于限制翻板90的打开运动并且限定最大打开位置的止挡件108。框架84可以包括从凸缘88向外延伸的另一个径向延伸部102。在一个示例中，该径向延伸部102还在下游方向上延伸远离挡板50，并且径向延伸部102包括通过连接部分106连接至彼此的一对臂104，使得开口区域形成于臂104、凸缘88与连接部分106之间。止挡片状件108的一个端部固定至连接部分106并且相反的端部和与翻板90相互作用的弹性构件96相关联。当翻板90朝向打开位置移动时，弹性构件96和止挡片状件108彼此协作以限定最大打开位置。
如此，框架84的凸缘88提供用于限制翻板90的闭合运动并且限定完全闭合位置的安置部，而止挡片状件108、弹性构件96、和/或片状件92协作以限定最大打开位置。翻板90能够响应于排气流量的改变而在完全闭合位置与最大打开位置之间定位处于无限多个位置以提供可变几何构型。图5B图示了翻板90处于完全闭合位置，并且图5C图示了翻板90处于部分打开位置。当排气流量增加时，翻板90朝向最大打开位置移动，并且当流量低于预定限值时，翻板90将返回至完全闭合位置。因此，阀82是能够响应于排气流量超过预定限值而仅向打开位置移动的被动阀。
图6图示了回压(kPa)与体积流量(m3/s)的曲线图。第一条线110表示具有固定几何构型的常规混合器的回压增大。第二条线112表示结合本发明的包括阀82以提供可变几何构型的混合器的回压增大。第二条线112包括第一部分114，该第一部分114图示了本发明混合器30在固定几何构型下操作。当阀82在排气流量超过预定限值的情况下开始打开时，如以116所指示的，上游挡板50上的开口区域发生变化。这种变化如第二条线112的第二部分118所示出，该第二部分118代表可变几何结构。在较高的体积流量处，通过提供可变几何结构，本发明相比于常规的混合器(参见线110)减少20％的回压(以120指示)。
如所示出的，混合器内的回压随着通过混合器的排气体积流量的增加而增大。仿真和物理测试表明更高的限制提供减少沉积物生成的益处。然而，出于燃料经济性的原因，趋势是为给定应用考虑对于发动机的额定功率而言的低限制混合器。但是当回压较低时，沉积物形成的可能性显著增大。本发明提供可变构型混合器，该可变构型混合器可以在某些条件下改变回压，以提供所需的操作性能和最小的沉积物生成量。
尽管本发明的实施方式已经公开，但是本领域普通技术人员将意识到某些修改将进入本发明的范围内。因此，应当研究所附权利要求来确定本发明的内容和真正范围。

Claims (20)

1.一种用于车辆排气系统的混合器组件，所述混合器组件包括：
混合器壳体，所述混合器壳体限定内腔，所述内腔构造成接纳发动机排气；
上游挡板，所述上游挡板定位在所述混合器壳体的入口端部处，所述上游挡板包括具有开口区域的板，所述开口区域包括固定几何构型，排气通过所述开口区域进入所述内腔；以及
阀，所述阀能够从闭合位置朝向打开位置移动以提供可变几何构型，所述可变几何构型改变所述开口区域以减小回压。
2.根据权利要求1所述的混合器组件，其中，所述阀响应于超过预定限值的排气流量而朝向所述打开位置移动。
3.根据权利要求2所述的混合器组件，其中，采用所述固定几何构型的所述开口区域包括至少一个主开口，排气通过所述主开口进入所述内腔。
4.根据权利要求3所述的混合器组件，其中，采用所述固定几何构型的所述开口区域进一步包括一个或更多个比所述主开口小的副开口。
5.根据权利要求3所述的混合器组件，其中，所述上游挡板包括接纳所述阀的开孔，并且其中，当所述阀处于所述闭合位置时，所述混合器组件以所述固定几何构型操作，并且其中，当所述阀朝向所述打开位置移动时，所述混合器组件以所述可变几何构型操作。
6.根据权利要求5所述的混合器组件，其中，当所述阀朝向所述打开位置移动时，所述开口区域通过所述开孔的暴露而增大，以减小回压。
7.根据权利要求5所述的混合器组件，其中，所述阀包括翻板，所述翻板以与所述开孔成重叠关系的方式安装至所述上游挡板，并且所述混合器组件包括用于将所述翻板向所述闭合位置偏置的弹性构件。
8.根据权利要求7所述的混合器组件，所述混合器组件包括用于限制所述翻板的打开运动并且限定最大打开位置的止挡件。
9.根据权利要求8所述的混合器组件，所述混合器组件包括用于限制所述翻板的闭合运动并且限定完全闭合位置的安置部，并且其中，所述翻板能够响应于排气流量的改变而在所述完全闭合位置与所述最大打开位置之间定位处于无限多个位置以提供所述可变几何构型。
10.根据权利要求1所述的混合器组件，其中，所述混合器壳体包括喷射开口，并且所述混合器组件包括定量配给器，所述定量配给器构造成将流体喷射通过所述喷射开口并喷射到所述内腔中而与所述发动机排气混合。
11.根据权利要求1所述的混合器组件，其中，所述阀是能够响应于超过预定限值的排气流量而仅向所述打开位置移动的被动阀，并且所述混合器组件包括用于将所述阀朝向所述闭合位置偏置的弹性构件。
12.一种车辆排气系统，包括：
第一排气部件，所述第一排气部件构造成接纳发动机排气；
第二排气部件，所述第二排气部件位于所述第一排气部件下游；
混合器，所述混合器定位在所述第一排气部件与所述第二排气部件之间，所述混合器包括：
外壳体，所述外壳体限定用于接纳来自所述第一排气部件的所述发动机排气的内腔，所述外壳体包括至少一个喷射开口，
上游挡板，所述上游挡板定位在所述外壳体的入口端部处，所述上游挡板包括具有开口区域的板，所述开口区域包括固定几何构型，排气通过所述开口区域进入所述内腔，以及
阀，所述阀能够从闭合位置朝向打开位置移动以提供可变几何构型，所述可变几何构型改变所述开口区域以减小回压，并且其中，所述阀响应于超过预定限值的排气流量而朝向所述打开位置移动；以及
定量配给器，所述定量配给器构造成将流体引入通过所述喷射开口并进入到所述内腔中而与所述发动机排气混合，从而提供向所述第二排气部件引导的混合物。
13.根据权利要求12所述的车辆排气系统，其中，采用所述固定几何构型的所述开口区域包括至少一个主开口，排气通过所述主开口进入所述内腔。
14.根据权利要求12所述的车辆排气系统，其中，所述上游挡板包括接纳所述阀的开孔，并且其中，当所述阀处于所述闭合位置时，所述混合器组件以所述固定几何构型操作，并且其中，当所述阀朝向所述打开位置移动时，所述混合器组件以所述可变几何构型操作。
15.根据权利要求14所述的车辆排气系统，其中，所述阀包括翻板，所述翻板以与所述开孔成重叠关系的方式安装至所述上游挡板，并且所述车辆排气系统包括用以将所述翻板向所述闭合位置偏置的弹性构件。
16.根据权利要求15所述的车辆排气系统，其中，所述阀包括配装到所述开孔中的框架，并且其中，所述翻板安装成相对于所述框架进行枢转运动，并且其中，所述翻板能够响应于排气流量的改变而在完全闭合位置与最大打开位置之间枢转处于无限多个位置以提供所述可变几何构型。
17.一种用于减小排气系统用的混合器中的回压的方法，所述方法包括以下步骤：
提供混合器壳体，所述混合器壳体限定接纳发动机排气的内腔；
将上游挡板定位在所述混合器壳体的入口端部处，所述上游挡板包括具有开口区域的板，所述开口区域包括固定几何构型，排气通过所述开口区域进入所述内腔；以及
当排气流量超过预定限值时，使阀从闭合位置朝向打开位置移动以提供可变几何构型，所述可变几何构型改变所述开口区域以减小回压。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法包括将采用所述固定几何构型的所述开口区域设置成包括至少一个主开口以及一个或更多个比所述主开口小的副开口，排气通过所述主开口进入所述内腔。
19.根据权利要求18所述的方法，所述方法包括：在所述上游挡板中形成开孔；将所述阀安装在所述开孔中；将所述阀向所述闭合位置偏置，以允许所述混合器以所述固定几何构型操作；以及当排气流量超过所述预定限值时，使所述阀朝向所述打开位置移动，以允许所述混合器以所述可变几何构型操作。
20.根据权利要求17所述的方法，所述方法包括：在所述混合器壳体中形成开口；以及将定量配给器与所述开口对准，以允许所述定量配给器将流体引入通过所述混合器壳体并进入到所述内腔中而与所述发动机排气混合。
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