CN110195629A

CN110195629A - 具有流量调节部分的排气导管

Info

Publication number: CN110195629A
Application number: CN201811553103.5A
Authority: CN
Inventors: T·埃尔瑟纽斯; D·巴布; S·伯奇
Original assignee: Caterpillar Inc
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2019-09-03
Also published as: DE102018132747A1; US10577996B2; US20190186322A1

Abstract

一种排气导管，该排气导管具有：壁，该壁具有至少部分地限定出流动通道的内表面；第一鳍片，该第一鳍片被定位在流动通道内并且附接至内表面；第二鳍片，该第二鳍片被定位在流动通道内并且附接至内表面以便使得第一鳍片与第二鳍片间隔开。支撑带附接至内表面，在与内表面间隔开的第一位置处附接至第一鳍片，并且在与内表面间隔开的第二位置处附接至第二鳍片。

Description

具有流量调节部分的排气导管

技术领域

本发明大体上涉及排气导管，并且更具体地涉及具有流量调节部分的排气导管。

背景技术

许多发动机系统包括用于处理离开发动机的排气的排气后处理系统。排气后处理系统可以包括用于处理排气的各种部件和子系统，诸如，柴油机氧化催化剂、柴油机微粒过滤器、选择性催化还原系统、以及氨氧化催化剂。

在一些发动机系统中，用于将排气从发动机输送至排气后处理系统的排气导管或者管道可以包括用于调节排气的流量或者帮助处理排气的内部结构，诸如，挡板或者叶片。在Braun等人的德国专利出版物第102012021017A1号的系统中，三个挡板元件被焊接至第一排气管道的输送管或者内壁。这些挡板元件在输送的纵向轴线的方向上间隔开并且平行于彼此。还原剂注射器被布置为使得注射流至少部分地撞击到各个挡板的主要挡板表面上。

发明内容

在一个方面中，一种排气导管包括：壁，该壁具有至少部分地限定出流动通道的内表面；第一鳍片，该第一鳍片被定位在流动通道内并且附接至内表面；第二鳍片，该第二鳍片被定位在流动通道内并且附接至内表面，其中，第一鳍片与第二鳍片间隔开；以及支撑带，该支撑带附接至内表面，在与内表面间隔开的第一位置处附接至第一鳍片，并且在与内表面间隔开的第二位置处附接至第二鳍片。

在另一方面中，一种发动机系统包括：发动机、排气后处理系统、以及用于将流量从发动机引导至排气后处理系统的排气导管。排气导管包括：壁，该壁具有至少部分地限定出流动通道的内表面；第一鳍片，该第一鳍片被定位在流动通道内并且附接至内表面；第二鳍片，该第二鳍片被定位在流动通道内并且附接至内表面，其中，第一鳍片与第二鳍片间隔开；以及支撑带，该支撑带附接至内表面，在与内表面间隔开的第一位置处附接至第一鳍片，并且在与内表面间隔开的第二位置处附接至第二鳍片。

在另一方面中，一种用于在排气导管中支撑多个鳍片的方法包括：将第一鳍片的第一横向边缘和第二横向边缘附接至排气导管的内表面；将第二鳍片的第一横向边缘和第二横向边缘附接至内表面；将第一鳍片上的第一尖端连接至第二鳍片上的第二尖端，其中，第一尖端和第二尖端从内表面径向地向内；以及在与第一鳍片的第一横向边缘和第二横向边缘间隔开的位置处将第一尖端连接至内表面。

附图说明

本发明的其它特征和优点将从使用附图对实施例进行的描述中变得显而易见。在附图中：

图1是根据本发明的示例性发动机和排气后处理系统的示意图；

图2是用于图1的发动机和排气后处理系统的排气导管的示例性实施例的截面图；

图3是图2的排气导管的分解图；以及

图4是图2的排气导管的进口端的正视图。

具体实施方式

参照图1，发动机和排气后处理系统10的示例性实施例包括发动机12(诸如，柴油发动机)和排气后处理系统14。发动机12可以包括限定出一个或多个排气出口18的一个或多个涡轮增压器16。经由一个或多个排气出口18离开涡轮增压器16的排气经由排气导管20被引导至排气后处理系统14。

排气后处理系统14可以按各种方式进行配置。例如，排气后处理系统14可以包括但不限于如下一个或多个：柴油机氧化催化剂、柴油机微粒过滤器、选择性催化还原系统、以及氨氧化催化剂。排气后处理系统14的部件可以单独地进行布置或者可以一起被聚集到一个或多个模块中。

排气导管20可以按各种方式进行配置。例如，用于排气导管20的长度、大小、形状和材料可以在不同实施例中有所不同。排气导管20可以包括多个部件或者单个部件。排气导管20的至少一部分包括一个或多个流量调节器，一个或多个流量调节器配置为调节进入排气后处理系统14的排气的流量。如在本申请中所使用的，“调节流量”表示消除或者减少流量的漩涡和/或非对称性。例如，调节通过弯管的排气的流量可以包括用于使流量转弯的结构，以便在与没有该结构的相同弯头相比时减少流量中的漩涡的量。

在所图示的实施例中，排气导管20包括挠曲部分22(诸如，金属波纹管)、以及被定位在排气后处理系统14的进口26处的弯头24。在所图示的实施例中，弯头24包括一个或多个流量调节器。然而，在其它实施例中，一个或多个流量调节器可以被定位在排气导管20的另一部分中，诸如，例如，在笔直部分中或者在挠曲部分中。一个或多个流量调节器可以被定位在排气导管20中的任何合适位置处。

参照图2至图4，弯头24包括一个或多个圆柱形侧壁30，一个或多个圆柱形侧壁30具有外表面32和通常平行于外表面32且与外表面32相对的内表面34。内表面34限定出流动通道36，流动通道36具有进口38和出口40。弯头24具有曲率半径R。在所图示的实施例中，曲率半径是恒定的并且弯头24弯曲45度的角度。然而，在其它实施例中，曲率半径可以不是恒定的并且弯头24可以弯曲大于或小于45度的角度。

与弯头24相关联的一个或多个流量调节器可以按各种方式进行配置。可以使用能够适当地调节进入排气后处理系统14的排气的流量的任何结构。在所图示的实施例中，一个或多个流量调节器包括多个弯曲鳍片。如在图2至图4中示出的，弯头24包括第一鳍片50、第二鳍片52、以及第三鳍片54。然而，在其它实施例中，弯头24可以包括少于或多于三个鳍片。

各个鳍片50、52、54通常是薄板，该薄板弯曲以与弯头24的曲率相匹配。鳍片50、52、54被定位在流动通道36中并且均匀地间隔开且平行于彼此。然而，在其它实施例中，鳍片50、52、54可以不均匀地间隔开和/或平行于彼此。例如，在一些实施例中，第一鳍片50与第二鳍片52之间的间距可以大于或小于第二鳍片52与第三鳍片54之间的间距。此外，任何两个鳍片之间的间距可以沿着鳍片的长度或者沿着鳍片的宽度发生变化。

鳍片50、52、54可以是由任何适合于调节排气流的材料制成。在示例性实施例中，鳍片50、52、54是由金属薄片(诸如，例如，11GA金属薄片)制成。

第一鳍片50包括第一面60、通常平行于第一面60且与第一面60相对的第二面62、在第一面60与第二面62之间延伸的前缘64、与前缘64相对并且在第一面60与第二面62之间延伸的后缘66、在前缘64与后缘66之间延伸的第一横向边缘68、以及与第一横向边缘68相对且在前缘64与后缘66之间延伸的第二横向边缘70。第一鳍片50具有沿着其长度通常恒定的宽度W1。然而，在其它实施例中，第一鳍片50的宽度W1可以沿着其长度发生变化。

第一鳍片50可以包括配置为连接至支撑结构的部分，该支撑结构将第一鳍片50、第二鳍片52、以及第三鳍片54连接在一起。第一鳍片50上的用于连接至支撑结构的部分可以按各种方式进行配置。在所图示的实施例中，第一鳍片50包括在前缘64处用于接收支撑结构的一对凹槽72、以及在后缘66处用于接收支撑结构的一对凹槽74。用于接收支撑结构的凹槽的大小、形状、位置、以及数量可以根据不同实施例而有所不同。在所图示的实施例中，在前缘64处的一对凹槽72和在后缘66处的一对凹槽74通常是矩形狭槽。

第一鳍片50可以相对于圆柱形侧壁30被固定。第一鳍片50可以相对于圆柱形侧壁30由任何合适的构件固定。在所图示的实施例中，第一鳍片50沿着第一横向边缘68和第二横向边缘70的至少一部分附接至圆柱形侧壁30的内表面34。在所图示的实施例中，第一鳍片50沿着第一横向边缘68和第二横向边缘70两者通过焊缝76附接至内表面34。各个焊缝76沿着第一横向边缘68和第二横向边缘70间隔开。在一个实施例中，各个焊缝76为约两英寸长并且沿着第一横向边缘68和第二横向边缘70均匀地间隔开。然而，在其它实施例中，第一横向边缘68和第二横向边缘70可以沿着其整个长度被焊接，或者各个焊缝的间距和长度可以发生变化。

类似于第一鳍片50，第二鳍片52包括第一面80、通常平行于第一面80且与第一面80相对的第二面82、在第一面80与第二面82之间延伸的前缘84、与前缘84相对并且在第一面80与第二面82之间延伸的后缘86、在前缘84与后缘86之间延伸的第一横向边缘88、以及与第一横向边缘88相对且在前缘84与后缘86之间延伸的第二横向边缘90。第二鳍片52具有沿着其长度通常恒定的宽度W2。然而，在其它实施例中，第二鳍片52的宽度W2可以沿着其长度发生变化。

第二鳍片52可以包括配置为连接至支撑结构的部分，该支撑结构将第一鳍片50、第二鳍片52、以及第三鳍片54连接在一起。第二鳍片52上的用于连接至支撑结构的部分可以按各种方式进行配置。在所图示的实施例中，第二鳍片52包括在前缘84处用于接收支撑结构的一对凹槽92、以及在后缘86处用于接收支撑结构的一对凹槽94。

类似于第一鳍片50，第二鳍片52相对于圆柱形侧壁30被固定。第二鳍片52可以相对于圆柱形侧壁30由任何合适方法固定。在所图示的实施例中，第二鳍片52通过焊缝96附接至内表面34。各个焊缝96可以沿着第一横向边缘88和第二横向边缘90两者均匀地间隔开。在一个实施例中，焊缝96包括：邻近前缘84和后缘86两者的沿着第一横向边缘88和第二横向边缘90两者的为约1¹/₂英寸长的焊缝、以及被定位在1¹/₂英寸的焊缝之间的约1英寸长的一个或多个焊缝。

同样，第三鳍片54包括第一面100、通常平行于第一面100且与第一面100相对的第二面102、在第一面100与第二面102之间延伸的前缘104、与前缘104相对并且在第一面100与第二面102之间延伸的后缘106、在前缘104与后缘106之间延伸的第一横向边缘108、以及与第一横向边缘108相对且在前缘104与后缘106之间延伸的第二横向边缘110。第三鳍片54具有沿着其长度通常恒定的宽度W3。然而，在其它实施例中，第三鳍片54的宽度W3可以沿着其长度发生变化。

第三鳍片54可以包括配置为连接至支撑结构的部分，该支撑结构将第一鳍片50、第二鳍片52、以及第三鳍片54连接在一起。第三鳍片54上的用于连接至支撑结构的部分可以按各种方式进行配置。在所图示的实施例中，第三鳍片54包括在前缘104处用于接收支撑结构的一对凹槽112、以及在后缘106处用于接收支撑结构的一对凹槽114。

类似于第一鳍片50和第二鳍片52，第三鳍片54相对于圆柱形侧壁30被固定。第三鳍片54可以相对于圆柱形侧壁30由任何合适方法固定。在所图示的实施例中，第三鳍片54通过沿着整个第一横向边缘108和第二横向边缘110延伸的焊缝116附接至内表面34。

弯头24包括支撑结构，该支撑结构支撑第一鳍片50、第二鳍片52、以及第三鳍片54并且将其连接在一起。支撑结构可以按各种方式进行配置。可以使用能够增加鳍片的结构长度的任何结构。在所图示的实施例中，弯头24包括在鳍片50、52、54之间延伸并且将其连接起来的一个或多个支撑带。一个或多个支撑带可以按各种方式进行配置和布置。例如，用于支撑带的材料的长度、厚度、截面形状、数量、位置可以在不同实施例中有所不同。

在所图示的实施例中，弯头24包括第一支撑带120、第二支撑带122、第三支撑带124、以及第四支撑带126。然而，在其它实施例中，可以使用多于或少于四个支撑带。在所图示的实施例中，第一支撑带120和第二支撑带122邻近鳍片50、52、54的前缘64、84、104，并且第三支撑带124和第四支撑带126邻近鳍片50、52、54的后缘66、86、106。在其它实施例中，第一支撑带120和第二支撑带122可以被形成为单个带，并且第三支撑带124和第四支撑带126可以被形成为单个带。

如在图2至图4中示出的，第一支撑带120是通常较薄的细长材料带，该通常较薄的细长材料带具有矩形截面、带有半径Rs1的弯曲部分130、以及笔直部分132。第一支撑带120具有长度Ls、宽度Ws、以及厚度Ts。在示例性实施例中，宽度Ws在约10mm至约14mm或者约12mm的范围内，并且厚度Ts在约2mm至约4mm或者约3mm的范围内。

第一支撑带120可以由任何合适的材料制成。在所图示的实施例中，第一支撑带120是由11GA金属薄片制成。

在所图示的实施例中，第一支撑带120、第二支撑带122、第三支撑带124、以及第四支撑带126大体上配置为相同。因此，对第一支撑带120的描述同样适用于其它支撑带122、124、126。因此，第二支撑带122包括弯曲部分140和笔直部分142，第三支撑带124包括弯曲部分144和笔直部分146，并且第四支撑带126包括弯曲部分148和笔直部分150。

然而，在其它实施例中，支撑带可以配置为彼此不同。例如，在所图示的实施例中，第一支撑带120、第二支撑带122、第三支撑带124、以及第四支撑带126各自的弯曲部分130、140、144、148的半径是相同的。然而，在其它实施例中，弯曲部分130、140、144、148中的一个或多个可以具有不同于其它弯曲部分130、140、144、148中的一个或多个的半径。

当被组装时，第一支撑带120连接至弯头24的内表面34以及各个鳍片50、52、54。第一支撑带120可以按各种方式连接至内表面34和鳍片50、52、54。在所图示的实施例中，第一支撑带120的弯曲部分130通过焊缝160连接至弯头24的内表面34。笔直部分132被接收在鳍片50、52、54的前缘64、84、104上的各对凹槽72、92、112的其中一个凹槽中并且通过焊缝162被固定到位。因此，第一支撑带120将第一鳍片50上的第一尖端连接至第二鳍片52上的第二尖端，并且将第二鳍片52上的第二尖端连接至第三鳍片54上的第三尖端。各个所连接的尖端与内表面34间隔开。在所图示的实施例中，所连接的尖端线性地对齐，因为其是由笔直部分132连接。然而，在其它实施例中，支撑带可以不经由笔直部分连接至鳍片，因此，所连接的尖端可能并未线性地对齐。

第一支撑带120除了在从内表面34径向地向内的尖端处将鳍片50、52、54附接在一起之外，还将这些尖端附接至弯头24的内表面34。笔直部分132延伸一段距离X越过第三鳍片54中的凹槽112，但不与弯头24的内表面34接合，弯曲部分130在与此相对的地方被焊接至内表面34。

类似于第一支撑带120，第二支撑带122的弯曲部分140在与第一支撑带120的弯曲部分130相同的尖端处或者附近被焊接至弯头24的内表面34，以便使得第一支撑带120和第二支撑带122形成U形。第二支撑带122的笔直部分142被接收在与第一支撑带120附接的该对凹槽72、92、112中的另一凹槽中并且被焊接到位。与第一支撑带120一样，第二支撑带122的笔直部分142延伸较短距离越过第三鳍片54中的凹槽112，但不与弯头24的内表面34接合，弯曲部分140在与此相对的地方被焊接至内表面34。

一对凹槽72中的与第一支撑带120的笔直部分132附接的凹槽与第一鳍片50的第一横向边缘68相隔第一距离D1。一对凹槽72中的与第二支撑带122的笔直部分142附接的凹槽与第一鳍片50的第二横向边缘70相隔第二距离D2。一对凹槽72被定位为彼此隔开第三距离D3。

在所图示的实施例中，第一距离D1等于第二距离D2，并且第三距离D3大于第一距离D1和第二距离D2。然而，在其它实施例中，第一距离D1和第二距离D2可以不同，并且第三距离D3可以等于或小于第一距离D1或者第二距离D2。在一个示例性实施例中，D1与D3的比率在0.75至1.25的范围内。

相对于横向边缘68、70以及彼此对一对凹槽72的间距的描述同样适用于后缘上的一对凹槽74、第二鳍片52上的多对凹槽92、94、以及第三鳍片54上的多对凹槽112、114。例如，在一个实施例中，第二鳍片52被定位在流动通道36的中间处或者附近。因此，第二鳍片52将流动通道36平分或者差不多平分。在该位置中，第二鳍片52的宽度等于或者差不多等于弯头24的内径。第二鳍片52上的多对凹槽92、94被定位为使得各对凹槽92、94分别在前缘84和后缘86处将第二鳍片52的宽度三等分或者差不多三等分。因此，从第一横向边缘88至其中一个凹槽92的距离等于或者差不多等于从第二横向边缘90至另一凹槽的距离。进一步地，一对凹槽92中的两个凹槽之间的距离等于从第一横向边缘88至其中一个凹槽92的距离。通过将鳍片的最大宽度(widest)三等分或者差不多三等分，使得在前缘和后缘处未被支撑的鳍片的宽度最小化。

第三支撑带124和第四支撑带126附接至鳍片50、52、54的后缘66、86、106，方式类似于第一支撑带120和第二支撑带122附接至鳍片50、52、54的前缘64、84、104的方式。因此，第三支撑带124的弯曲部分144通过焊缝174连接至弯头24的内表面34，并且笔直部分146被接收在鳍片50、52、54的后缘66、86、106上的多对凹槽74、94、114中的其中一个凹槽中并且焊接至该凹槽。与第一支撑带120和第二支撑带122一样，第三支撑带124的笔直部分146延伸较短距离越过第三鳍片54中的凹槽114，但不与弯头24的内表面34接合，弯曲部分144在与此相对的地方被焊接至内表面34。

第四支撑带126的弯曲部分148在与第三支撑带124的弯曲部分144相同的尖端处或者附近被焊接至弯头24的内表面34，以便使得第三支撑带124和第四支撑带126形成U形。第四支撑带126的笔直部分150被接收在鳍片50、52、54的后缘66、86、106上的多对凹槽74、94、114中的与第三支撑带124相比的另一凹槽中并且被焊接到位。与第三支撑带124一样，第四支撑带126的笔直部分150延伸较短距离越过第三鳍片54中的凹槽114，但不与弯头24的内表面34接合，弯曲部分144在与此相对的地方被焊接至内表面34。

工业实用性

发动机和排气后处理系统10可以用在各种应用中。例如，发动机和排气后处理系统10可以用于给移动式机器(诸如，机车、船泊、建筑设备、越野卡车和公路用卡车)提供动力，或者用在固定式应用(诸如，发电机组)中。排气导管20将排气从发动机12按路线发送到排气后处理系统14中。由于许多应用中的空间约束，所以排气导管20可能具有多个曲线和弯曲。例如，弯管24可以被定位在排气后处理系统14的进口26处。鳍片50、52、54用作流量调节器以便减少排气中的通常会在排气流过弯头时产生的漩涡的量。

由于应用的类型以及弯头24靠近发动机12和涡轮增压器16，所以弯头24和鳍片50、52、54会经受到热应力和振动有关应力，这可能损坏鳍片50、52、54和用于将鳍片50、52、54固定至内表面34的焊缝76、96、116。支撑带120、122、124、126和第一鳍片50和第二鳍片52的横向边缘上的间隔开的焊缝76、96有助于抵消弯头24中的应力。

例如，支撑带120、122、124、126可以增加鳍片50、52、54的结构强度并且帮助减小应力。仅仅在其横向边缘处连接至弯头24的侧壁30的内表面34的鳍片可能经受到从横向边缘向内的鳍片的部分的颤动或者共振。支撑带120、122、124、126将鳍片50、52、54连接在一起，并且在鳍片50、52、54上的从鳍片的横向边缘径向地向内的位置处将其连接至内表面34。因此，支撑带120、122、124、126可以改变鳍片50、52、54的固有频率并且增加鳍片50、52、54的刚度，因而减小或者消除颤动。

此外，各个支撑带120、122、124、126的弯曲部分130、140、144、148可以抵销热膨胀和振动。与线性支撑截然相反，弯曲部分130、140、144、148可以适应热膨胀，从而导致应力被集中在支撑带120、122、124、126的弯曲部分中而不是在用于将支撑带120、122、124、126附接至内表面34的焊缝160中。通过将应力集中在弯曲部分130、140、144、148中，可以减小对焊缝160造成应力诱导损坏的可能性。

此外，用于将第一鳍片50和第二鳍片52附接至内表面34的焊缝76、96沿着第一鳍片50和第二鳍片52的横向边缘68、70、88、90间隔开。与沿着横向边缘的整个长度延伸的完整焊缝相比，间隔开的焊缝76、96可以减小由于鳍片和侧壁30的热膨胀引起的那些焊缝中的应力。

鉴于可以应用本发明的原理的许多可能的实施例，应该意识到，所图示的实施例仅仅是优选示例并且不应被看作限制本发明的范围。相反，本发明的范围是由如下权利要求书来限定。

Claims

1.一种排气导管，所述排气导管包括：

壁，所述壁具有至少部分地限定出流动通道的内表面；

第一鳍片，所述第一鳍片被定位在所述流动通道内并且附接至所述内表面；

第二鳍片，所述第二鳍片被定位在所述流动通道内并且附接至所述内表面，所述第一鳍片与所述第二鳍片间隔开；以及

支撑带，所述支撑带附接至所述内表面，在与所述内表面间隔开的第一位置处附接至所述第一鳍片，并且在与所述内表面间隔开的第二位置处附接至所述第二鳍片。

2.根据权利要求1所述的排气导管，所述排气导管进一步包括第三鳍片，所述第三鳍片被定位在所述流动通道内并且附接至所述内表面，其中，所述支撑带在与所述内表面间隔开的第三位置处附接至所述第三鳍片。

3.根据权利要求1所述的排气导管，其中，所述第一鳍片具有前缘，并且所述支撑带被接收在所述前缘中的凹槽中。

4.根据权利要求1所述的排气导管，其中，所述支撑带具有弯曲部分和笔直部分，并且其中，所述弯曲部分附接至所述内表面并且所述笔直部分附接至所述第一鳍片和所述第二鳍片。

5.根据权利要求1所述的排气导管，所述排气导管进一步包括第二支撑带，所述第二支撑带附接至所述内表面，在与所述内表面间隔开的第三位置处附接至所述第一鳍片，并且在第四位置处附接至所述第二鳍片。

6.根据权利要求5所述的排气导管，其中，所述第一鳍片具有前缘和与所述前缘相对的后缘，并且其中，所述支撑带被接收在所述前缘中的凹槽中并且所述第二支撑带被接收在所述后缘中的凹槽中。

7.根据权利要求5所述的排气导管，其中，所述支撑带具有附接至所述内表面的弯曲部分和附接至所述第一鳍片和所述第二鳍片的笔直部分，并且所述第二支撑带具有附接至所述内表面的弯曲部分和附接至所述第一鳍片和所述第二鳍片的笔直部分。

8.一种发动机系统，所述发动机系统包括：

发动机；

排气后处理系统；以及

根据权利要求1所述的排气导管。

9.一种用于在排气导管中支撑多个鳍片的方法，所述多个鳍片中的每一个具有第一横向边缘和与所述第一横向边缘相对的第二横向边缘，所述方法包括：

将第一鳍片的所述第一横向边缘和所述第二横向边缘附接至所述排气导管的内表面；

将第二鳍片的所述第一横向边缘和所述第二横向边缘附接至所述内表面；

将所述第一鳍片上的第一尖端连接至所述第二鳍片上的第二尖端，其中，所述第一尖端和所述第二尖端从所述内表面径向地向内；以及

在与第一鳍片的所述第一横向边缘和所述第二横向边缘间隔开的位置处将所述第一尖端连接至所述内表面。

10.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括：

将第三鳍片的所述第一横向边缘和所述第二横向边缘附接至所述内表面；以及

将所述第三鳍片上的第三尖端连接至所述第二鳍片上的所述第二尖端，其中，所述第三尖端从所述内表面径向地向内。