CN110892137A - 使用内表面精加工减少沉积 - Google Patents

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Abstract

后处理部件包括后处理壳体。后处理壳体具有第一表面，该第一表面定位成被注入到后处理壳体中的柴油排气流体直接撞击。第一表面是抛光表面。

Description

使用内表面精加工减少沉积
相关专利申请的交叉引用
本申请要求于2017年7月19日提交的序列号为62/534,294的美国临时申请的优先权的权益，并且其内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本申请总体上涉及用于内燃发动机的后处理系统的领域。
背景
对于内燃发动机(例如，柴油发动机)，氮氧化物(“NOx”)化合物可能在排气中被排放。为了减少NOx排放物，可实施选择性催化还原(“SCR”)过程，以借助于催化剂和还原剂将NOx化合物转化成更中性的化合物，例如双原子氮、水或二氧化碳。催化剂可以被包括在排气系统的催化剂室中，例如交通工具或动力产生单元的排气系统的催化剂室。还原剂(例如，无水氨、氨水或尿素)一般在被引入催化剂室之前被引入到排气流中。一种常用的尿素源是柴油排气流体(diesel exhaust fluid，“DEF”)，其在两步反应中分解和水解形成氨。为了将还原剂引入到排气流中以用于SCR过程，SCR系统可以通过配给模块(dosingmodule)配给或以其它方式引入还原剂，该配给模块将还原剂蒸发或喷射到催化剂室上游的排气系统的排气管中。SCR系统可以包括一个或更多个传感器以监控在排气系统内的状况。
概述
本文描述的实施方式涉及包括后处理壳体的后处理部件。后处理壳体具有第一表面，该第一表面定位成被注入到后处理壳体中的柴油排气流体直接撞击。第一表面是抛光表面。
另一实施方式涉及用于加工后处理部件的方法。使用挤压珩磨工艺抛光防溅板的第一表面。防溅板定位于壳体中，使得防溅板的第一表面将被注入到壳体中的柴油排气流体直接撞击。
简要描述
在附图和下面的描述中阐述了一个或更多个实施方式的细节。根据描述、附图和权利要求，本公开的其他特征、方面和优点将变得明显，在附图中：
图1是用于排气系统的具有示例性还原剂输送系统的示例性选择性催化还原系统的方框示意图；
图2A和图2B显示了标准未抛光板(图2A)和抛光板(图2B)之间的视觉区别；
图3示出了在59.5秒和0-30μm所测量的膜厚度范围(intensity scale)下的膜厚度等值线图(contour plots)；和
图4示出了在安装的坯件(installed blanks)和管壁之间的挤压珩磨材料流动路径。
应认识到，附图中的一些或全部是为了说明的目的的示意性表示。提供附图是为了说明一个或更多个实施方式，其中，应明确理解，它们不会用于限制权利要求的范围或含义。
详细描述
接着下面是对有关用于内燃发动机的后处理的方法、装置和系统的各种概念以及对这些方法、装置和系统的实施方式的更详细描述。上文介绍的并且在下文更详细地讨论的各种构思可以以多种方式中的任一种方式来实施，因为所描述的构思不限于任何特定的实现方式。特定的实施方式和应用的示例主要为了说明性目的而被提供。
后处理系统的概述
图1描绘了用于排气系统190的具有示例性还原剂输送系统110的后处理系统100。后处理系统100包括：颗粒过滤器，例如柴油机颗粒过滤器(“DPF”)102、还原剂输送系统110、分解室(例如，反应器管)104、SCR催化器106、以及传感器150。
DPF 102配置成从在排气系统190中流动的排气中移除颗粒物质，例如烟灰。DPF102包括入口和出口，排气在入口处被接收，在基本上从排气中过滤出颗粒物质之后和/或将颗粒物质转换成二氧化碳之后，排气在出口处离开。
分解室104被配置成将诸如尿素、氨水或DEF的还原剂转化成氨。分解室104包括具有配给模块112的还原剂输送系统110，该配给模块112被配置成将还原剂配给到分解室104中。在一些实施方式中，还原剂在SCR催化器106的上游被注入。还原剂液滴然后经历蒸发、热解和水解的过程以在排气系统190内形成气态氨。分解室104包含入口和出口，入口与DPF102流体连通以接收含有NOx排放物的排气，出口用于排气、NOx排放物、氨和/或剩余的还原剂流动至SCR催化器106。
分解室104包括配给模块112，配给模块112安装到分解室104，使得配给模块112可以将还原剂配给到在排气系统190中流动的排气中。配给模块112可以包括隔离件114，隔离件114置于配给模块112的一部分和分解室104的安装配给模块112的部分之间。配给模块112流体联接到一个或更多个还原剂源116。在一些实施实施方式中，泵118可用于对来自还原剂源116的还原剂加压以便输送到配给模块112。分解室104还包括位于其中的防溅板。防溅板被定位成便于被注入到分解室104中的DEF直接撞击。
配给模块112和泵118还电气地或通信地联接到控制器120。控制器120被配置成控制配给模块112向分解室104中配给还原剂。控制器120还可以被配置为控制泵118。控制器120可以包括微处理器、专用集成电路(“ASIC”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)等或其组合。控制器120可以包括存储器(memory)，存储器可以包括但不限于能够提供具有程序指令的处理器、ASIC、FPGA等的电子的、光学的、磁性的或任何其它存储或传输设备。存储器可包括存储器芯片、电可擦除可编程只读存储器(“EEPROM”)、可擦除可编程只读存储器(“EPROM”)、闪存或任何其它适当的存储器，控制器120可从存储器读取指令。指令可以包括来自任何适当的编程语言的代码。
SCR催化器106被配置成通过加速氨和排气的NOx之间的NOx还原过程而协助NOx排放物还原成双原子氮、水和/或二氧化碳。SCR催化器106包括与分解室104流体连通的入口和与排气系统190的端部流体连通的出口，排气和还原剂从入口被接收。
排气系统190还可包括与排气系统190流体连通(例如在SCR催化器106下游或DPF102上游)的氧化催化器(例如，柴油机氧化催化器(“DOC”))以氧化排气中的碳氢化合物和一氧化碳。
在一些实施方式中，DPF 102可以定位于分解室或反应器管104的下游。例如，DPF102和SCR催化器106可以组合成单一的单元，例如具有SCR涂层的DPF(“SCR在过滤器上”)。在一些实施方式中，配给模块112可以替代地被定位在涡轮增压器(turbocharger)的下游或涡轮增压器的上游。
传感器150可以联接到排气系统190以检测流动经过排气系统190的排气的状况。在一些实施方式中，传感器150可以具有布置在排气系统190内的一部分，例如传感器150的末端延伸到排气系统190的一部分内。在其它实施方式中，传感器150可以接收穿过另一导管的排气，例如从排气系统190延伸的样品管。虽然传感器150被描绘为定位于SCR催化器106的下游，但是应理解，传感器150可以定位于排气系统190的任何其它位置处，包括在DPF102的上游、在DPF 102内、在DPF 102和分解室104之间、在分解室104内、在分解室104和SCR催化器106之间、在SCR催化器106内或在SCR催化器106的下游。此外，两个或更多个传感器150可以用于检测排气的状况，例如两个、三个、四个、五个或六个传感器150，其中每个传感器150位于排气系统190的前述位置中的一个处。
DEF沉积减少
当经由配给模块112和泵118将DEF从还原剂源116注入到分解室104时，喷雾穿入分解室104，并可撞击在分解室104的内壁上，导致分解变缓慢并形成沉积物。抛光表面促进DEF从表面脱落。在一种实施方式中，分解室的表面的抛光可以使用内表面精加工技术来完成。在一种实施方式中，抛光表面是防溅板195的表面。防溅板195位于分解室104内，以便被注入到分解室104中的DEF直接撞击。防溅板195具有前缘和后缘。前缘相对于排气通过分解室104的预期流动方向位于后缘的上游。例如，在图1的系统100中，排气的预期流动方向是从左到右。在一些实施方式中，防溅板195定位成使得注入分解室104中的DEF撞击前缘下游的防溅板195的表面。
当需要DEF配给时，经常地，注入的DEF会冲击分解室的内壁或几何轮廓，并形成薄的DEF膜层。沉积的DEF通常会分解，从而有形成尿素副产物(称为沉积物)的风险。具有最小粗糙的或突出的边缘的抛光表面(例如，去除毛刺的表面)促进DEF从表面脱落、DEF再分配以及DEF沉积和结晶预防。图2A和2B描绘了标准未抛光板和使用本公开的实施方式的抛光板之间的视觉区别。此外，具有较高厚度的DEF膜也促进由于剪切应力或重力而脱落。在一种实施方式中，挤压珩磨被作为一种经济有效的修整表面的方法使用。
如本文所用，术语“抛光表面”指的是表面粗糙度不大于0.51微米(20微英寸)的表面，且术语“未抛光表面”指的是表面粗糙度大于1.78微米(70微英寸)的表面。应当理解，这里对表面粗糙度的任何引用都是指轮廓高度偏差距离中线(mean line)的绝对值的算术平均值，该算术平均值通常被标记为“Ra”。
在一个实施例中，使用打磨设备(例如，320砂粒碳化硅打磨轮)进行抛光。由于该抛光，在抛光板上观察到DEF膜积聚(pooling)，而不是DEF膜扩散(spreading)。因此，抛光促进了壁膜的快冷(quenching)。与促进DEF膜扩散的未抛光表面相比，抛光表面在质量上(qualitatively)具有较少的DEF结晶。在未抛光表面的壁膜边缘观察到DEF结晶。抛光对DEF配给过程中的表面温度下降(一个与DEF沉积相关的参数)也没有显著的影响。
已经确定，分解室的内部几何轮廓必须根据它们与DEF的相互作用进行优化。例如，撞击表面(例如防溅板)通常具有单独的用途。直接撞击表面并不意味着分解DEF，而仅仅是重新分配DEF并改变DEF流速以与流动方向一致。因此，在一种实施方式中，具有高剪切的抛光板优选用于从直接撞击表面再次夹带(re-entrainment)。在一种实施方式中，高剪切应力可以基于大于1.08N/m2的剪切流水平，其中对排气温度约为500℃、排气速度约为30m/s的排气管和5英寸的管进行流体流动计算。直接撞击表面处的温度的降低防止了表面上的水分蒸发，从而降低DEF沉积的风险。此外，高厚度DEF膜促进来自排气的剪切力和再次夹带。在一种实施方式中，DEF直接喷射到撞击表面上，而不沉积在撞击表面的前缘上。
下游撞击表面(位于DEF注入的下游且不受DEF直接撞击的表面)并非旨在从表面剪切DEF，而是用于对DEF的受控的分解。因此，在一种实施方式中，对于下游撞击表面而言，具有高传热和水蒸发特性的未抛光或粗糙表面是优选的。未抛光或粗糙的表面会促进热传递。在一种实施方式中，下游撞击表面相对于具有高剪切流的表面具有减小的剪切表面。在一种实施方式中，下游撞击表面是高传热粗糙表面，相对于具有高剪切流的表面，具有减小的剪切表面。
还确定了，表面(直接的或下游的)的后缘几何轮廓对沉积物的形成至关重要。图3示出了在59.5秒和0-30μm所测量的膜厚度范围下关于流量和温度的随表面角度定向变化的膜厚度等值线图。结果表明，在0.5mL/s的DEF流量和30m/s的排气速度下，不管温度如何(例如250℃或350℃)，且在0°的表面角度定向下(图3，左上和左下)，流动路径中的几何轮廓的顶表面上的最大沉积约为75mm(+75mm)。排气流垂直于DEF注入，且平行于防溅板。此外，流动路径中的几何轮廓的底表面上的最大沉积也是大约75mm(-75mm，在表面角度定向为45°时)，在350°(图3，右下)比在250°(图3，右上)发生更多的总沉积。
尽管可以设想其他方法，但是在一种实施方式中，挤压珩磨工艺(例如，磨料流加工或磨料流去毛刺)用于抛光、去毛刺，以及在内部撞击表面的尖锐边缘或在分解室的几何轮廓上(例如，在后缘)形成倒圆(radii)。在撞击表面后缘去毛刺和产生倒圆可能有利于防止沉积。材料去除率基于流体磨蚀程度、流体速度和流体压力。在挤压珩磨工艺中，对流体流动路径限制最大的区域可能具有最高的流体压力和速度，从而导致该区域是移除最多材料的区域，尽管其他位置也会经历材料移除。
优选挤压珩磨工艺，因为它在去毛刺、产生倒圆、定尺寸、抛光和从不锈钢和其他金属零件上去除不利表面层方面的多功能性。此外，挤压珩磨可以在整个分解室或其关键部件(例如在混合器或防溅板)上进行。内部区域坯件可用于减少材料消耗，并将研磨介质集中到关键区域。例如，坯件可以被设计成增加对撞击表面周围区域的限制，从而增加材料去除率。图4示出了在安装的坯件和管壁之间的挤压珩磨材料流动路径的一个示例。这一过程极具成本效益，因为它通过使用非熟练劳动力和减少总加工时间，大大降低了直接劳动力成本。手工精加工操作的消除确保了对高质量成品的均一可控精加工。
替代方法通常利用更高的能量容量。例如，发动机再生通常将燃料配给到排气管中，导致DOC上放热和更高的能耗。目前，没有消除沉积物形成的柴油排气流体输送设备，也没有相关的方法来识别用于改善简单不锈钢几何轮廓设计的性能的过程。
因此，在本公开中，为内燃发动机中的后处理系统的分解室确定了新的内表面精加工策略。此外，在一种实施方式中，挤压珩磨用于在同一过程中完成所有期望的精加工要求(去毛刺、抛光和在粗糙边缘上形成倒圆)。本公开中描述的技术方案减少了对发动机生热的依赖，以防止发动机(包括高马力发动机和其他发动机)中DEF沉积物的形成，并且消除了基于DEF沉积物形成的后处理再生的需要。因此，利用本公开的新颖的内表面精加工策略的后处理系统将实现在后处理再生过程中减少燃料浪费并减小包装尺寸。
虽然本说明书包含很多特定的实施方式细节，但是这些不应被解释为对可被要求保护的内容的范围的限制，而是应被解释为对特定的实施方式所特有的特征的描述。在本说明书中在独立实施方式的上下文中描述的某些特征也可以组合地在单个实施方式中实施。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施方式中单独地或以任何适当的子组合实施。此外，虽然特征在上文可被描述为以某些组合起作用且甚至最初被这样要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或更多个特征在一些情况下可从该组合删除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。
类似地，虽然以特定的顺序在图中描绘了操作，但是这不应被理解为要求这样的操作以所示的特定顺序或以连续的顺序被执行，或者所有所示的操作都被执行，以实现合乎需要的结果。在某些情况下，在上面所述的实施方式中的各种系统部件的分离不应被理解为在所有实施方式中需要这样的分离，并且应理解，所描述的部件和系统通常可集成在单个产品中或封装到体现在有形介质上的多个产品中。
如本文所使用的，术语“近似”、“基本上”以及类似的术语意在具有与本公开的主题所属领域中的普通技术人员普遍和接受的用法一致的广泛的意义。查阅本公开的本领域的技术人员应理解，这些术语旨在允许对所描述和要求保护的某些特征的描述，而不将这些特征的范围限制到所提供的精确的数值范围。因此，这些术语应被解释为指示所描述和要求保护的主题的非实质性或无关紧要的修改或改变被认为在所附权利要求中所陈述的本发明的范围内。此外，应注意，权利要求中的限制在术语“手段”不在其中被使用的情况下按照美国专利法不应被解释为构成“手段加功能”的限制。
如在本文使用的术语“联接”及类似术语意指两个部件直接或间接地连接到彼此。这样的连接可以是固定的(例如，永久的)或可移动的(例如，可移除的或可释放的)。通过两个部件或这两个部件和任何额外的中间部件彼此一体地形成为单个整体(single unitarybody)，或者通过两个部件或这两个部件和任何额外的中间部件附接到彼此，可以实现这样的连接。
如在本文使用的术语“流体地联接(fluidly coupled)”、“流体连通(in fluidcommunication)”等意指两个部件或对象具有在这两个部件或对象之间形成的通路，其中流体例如水、空气、气态还原剂、气态氨等可在有或没有中间部件或对象的情况下流动。用于实现流体连通的流体联接件或构造的示例可以包括管道、通道或用于实现流体从一个部件或对象到另一部件或对象的流动的任何其它适当的部件。
重要的是，注意到在各种示例性实施方式中所示的系统的结构和布置在特性上仅仅是说明性的而不是限制性的。出现在所描述的实施方式的精神和/或范围内的所有变化和修改期望受到保护。应理解，一些特征可能不是必要的，且缺少各种特征的实施方式可被设想为在本申请的范围内，该范围由所附权利要求界定。在阅读权利要求时，意图是当词语例如“一个(a)”、“一个(an)”、“至少一个”或“至少一个部分”被使用时，不存在将权利要求限制到仅仅一个项的意图，除非在权利要求中特别相反地规定。当语言“至少一部分”和/或“一部分”被使用时，该项可包括一部分和/或整个项，除非特别相反地规定。

Claims (20)

1.一种后处理部件，包括：
后处理壳体，其包括第一表面，所述第一表面定位成被注入到所述后处理壳体中的柴油排气流体直接撞击，所述第一表面是抛光表面。
2.根据权利要求1所述的后处理部件，其中所述第一表面具有不大于0.51微米的表面粗糙度。
3.根据权利要求1所述的后处理部件，其中所述后处理部件是分解室，并且其中位于所述分解室中的防溅板包括所述第一表面。
4.根据权利要求3所述的后处理部件，其中所述分解室包括内部区域坯件，以增加对挤压珩磨材料在所述第一表面附近流动的限制。
5.根据权利要求3所述的后处理部件，
其中所述防溅板包括前缘和后缘，所述前缘相对于排气通过所述后处理部件的预期流动方向位于所述后缘的上游，并且
其中所述防溅板定位成使得注入到所述后处理壳体中的柴油排气流体在所述前缘的下游撞击所述第一表面。
6.根据权利要求1所述的后处理部件，其中所述防溅板包括通过挤压珩磨抛光的不锈钢板。
7.根据权利要求1所述的后处理部件，其中所述后处理壳体还包括第二表面，所述第二表面位于所述第一表面的下游，并且被定位成便于被注入到所述后处理壳体中的柴油排气流体间接地撞击，所述第二表面是粗糙表面。
8.根据权利要求7所述的后处理部件，其中所述第二表面具有比所述第一表面更大的表面粗糙度。
9.根据权利要求7所述的后处理部件，其中所述第二表面具有至少1.78微米的表面粗糙度。
10.根据权利要求7所述的后处理部件，其中所述后处理部件是分解室，并且其中所述分解室的内表面包括所述第二表面。
11.根据权利要求10所述的后处理部件，其中所述分解室的内表面包括冷轧不锈钢。
12.根据权利要求10所述的后处理部件，其中所述分解室的内表面包括铸造不锈钢。
13.一种用于加工后处理部件的方法，包括：
使用挤压珩磨工艺抛光防溅板的第一表面；和
将所述防溅板定位在壳体中，使得所述防溅板的第一表面将被注入到所述壳体中的柴油排气流体直接撞击。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，响应于对所述第一表面的抛光，所述第一表面具有不大于0.51微米的表面粗糙度。
15.根据权利要求13所述的方法，
其中所述防溅板在所述壳体中的定位是在抛光所述防溅板的所述第一表面之前进行的，
所述方法还包括，响应于所述防溅板在所述壳体中的定位，将内部区域坯件定位在所述壳体内，以便增加对挤压珩磨材料在所述第一表面附近流动的限制，
其中对所述第一表面的抛光包括使所述挤压珩磨材料流过壳体。
16.根据权利要求13所述的方法，其中，在将所述防溅板定位在所述壳体中之前，对所述防溅板的所述第一表面进行抛光。
17.根据权利要求13所述的方法，
其中所述防溅板包括前缘和后缘，所述前缘相对于排气通过所述壳体的预期流动方向位于所述后缘的上游，并且
其中所述防溅板在所述壳体内的定位还包括将防溅板定位成使得注入到所述壳体内的柴油排气流体在所述前缘的下游撞击所述第一表面。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述壳体还包括第二表面，所述第二表面位于所述第一表面的下游并且定位成被注入到所述壳体中的柴油排气流体间接地撞击，所述第二表面是粗糙表面。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述第二表面具有比所述第一表面更大的表面粗糙度。
20.一种后处理部件，包括：
后处理壳体，其包括第一表面，所述第一表面定位成被注入到所述后处理壳体中的柴油排气流体间接地撞击，所述第一表面具有至少1.78微米的表面粗糙度。
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