CN112160819A - 排气管降排系统与方法 - Google Patents

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Abstract

一种排气管降排系统与相应的排气管降排方法，本系统包括设于发动机排气歧管中的雾化喷嘴与设于发动机排气总管中的涡轮，所述排气管降排系统还包括冷凝器、水箱、第一水泵以及第二水泵，所述排气总管一端与所述排气歧管连通，所述冷凝器设于所述排气总管另一端，且所述冷凝器内部设有多个沟槽，所述第一水泵设于连接在所述水箱与所述雾化喷嘴之间的第一管路上，所述水箱还通过第二管路连接至所述冷凝器，所述第二水泵设置于所述第二管路上。本系统通过喷射水雾吸热吸能使小颗粒聚合成大颗粒，并使大颗粒被附着到冷凝器沟槽中来降低排出废气中的颗粒物含量。

Description

排气管降排系统与方法
技术领域
本发明涉及汽车发动机技术领域，特别是涉及一种发动机排气管二次膨胀降排系统与对应的降排方法。
背景技术
随着人们生活水平的提高，汽车成为了生活中必不可少的工具。汽油作为汽车的主要燃料，其使用过程中产生的尾气排放问题，也成为人们重点关注的对象。中国是全球最大的汽车市场，为致力于解决排放问题，中国政府出台了全球最严格的汽车排放标准，即国六标准。
目前国内外主流的颗粒物排放控制手段是在发动机排放系统中设置GPF/DPF(颗粒物捕集器)，通过颗粒捕捉和再燃烧来解决颗粒物的排放。但是利用GPF/DPF来降低颗粒物排放的方法，对于贵金属和稀土消耗较大，同时GPF/DPF再生过程中需要单独喷射燃油到排气管燃烧形成高温，或者调整浓混合气用于GPF/DPF再生，其工作方式增大了CO2的排放。不利于节能降排。
因此，有必要提供一种无需消耗贵金属与稀土，同时也不会增加CO2排放的低成本降排系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无需消耗贵金属与稀土，同时也不会增加CO2排放的低成本降排系统。
本发明提供一种排气管降排系统，包括设于发动机排气歧管中的雾化喷嘴与设于发动机排气总管中的涡轮，所述排气管降排系统还包括冷凝器、水箱、第一水泵以及第二水泵，所述排气总管一端与所述排气歧管连通，所述冷凝器设于所述排气总管另一端，且所述冷凝器内部设有多个沟槽，所述第一水泵设于连接在所述水箱与所述雾化喷嘴之间的第一管路上，所述水箱还通过第二管路连接至所述冷凝器，所述第二水泵设置于所述第二管路上。
在本排气管降排系统中，发动机排气冲程时废气进入排气歧管中，此时第一水泵工作，雾化喷嘴向排气歧管中喷出水雾，水雾遇到高温废气时将会蒸发汽化，蒸发汽化的过程会吸热。由于废气中的颗粒物是核状漂浮物，因此水雾会快速吸附并剥夺颗粒物悬浮的能量，这样会凝聚和吸附大量的微小颗粒物成大颗粒物。当废气在总排气管中推动涡轮转动时颗粒物能量进一步被剥夺转化为涡轮的动能，废气最终经过冷凝器冷却排出的过程中，大颗粒物沉积附着在了冷凝器内的沟槽中。发动机不工作时，第二水泵打开，水经由第二管路进入冷凝器中对沟槽进行冲刷，大颗粒物将会融合在水中成为泥水一起排出冷凝器外。可见，本排气管降排系统能够有效减少发动机排出到空气中的颗粒物含量，且工作方式无需消耗贵金属与稀土，实现了低成本降排的目的，同时也不会增加CO2排放。
进一步地，所述冷凝器内部具有多个并排设置的冷凝板，所述冷凝板平行于所述排气总管的排气方向，所述冷凝板的表面开设所述沟槽。冷凝板平行于排气方向设置，则废气在排出过程中有充足的时间与冷凝板接触使颗粒物逐渐沉降附着到沟槽中，有利于将更多颗粒物留在冷凝器内而不被排出。
进一步地，所述涡轮包括多个叶片，所述叶片的表面开设有凝结凹槽。通过在涡轮叶片上设置凝结凹槽，当废气经过涡轮推动涡轮转动而降低能量时，会有部分颗粒物附着到凝结凹槽中，初步降低颗粒物含量。
进一步地，所述排气总管的中段呈涡壳结构，所述涡轮位于所述涡壳结构中，且所述涡壳结构的内壁设有凝结凹槽。废气从排气歧管中排出后需经过排气总管排出，因此将排气总管设置为涡壳结构不仅为涡轮提供了安装的结构基础，也增加了废气在排气总管中的滞留时间，使部分颗粒物能够附着到内部设置的凝结凹槽上。
进一步地，所述排气总管与所述排气歧管连接一端的内壁设有防倒流片，所述防倒流片的一端为连接于所述内壁的固定端而另一端为自由端，所述防倒流片相对所述内壁呈所述自由端比所述固定端更远离所述排气歧管的倾斜设置。设置防倒流片的目的是防止特殊工况下，部分不受控凝结物顺着排气总管内壁倒流回排气歧管中而堵塞三元催化器。
进一步地，还包括发电组件及与所述发电组件电性连接的蓄电池，所述发电组件包括定子与转子，其中所述转子与所述涡轮的转动轴固定。废气经过涡轮并推动涡轮转动时其中颗粒物的动能将转化成涡轮的动能，而涡轮带动转子相对定子转动进行发电，进一步将动能转化成了电能储存至储电池中，再用于汽车工作。发电组件的设置可实现节能的目的。
本发明还提供一种排气管降排方法，本方法中提供设于发动机排气歧管中的雾化喷嘴、设于发动机排气总管中的涡轮以及设于所述排气总管远离所述排气歧管的一端的内部具有沟槽的冷凝器，并将所述雾化喷嘴与冷凝器连接至水箱，当发动机排气时，使所述雾化喷嘴向所述排气歧管中喷射水雾。
向排气歧管中喷射水雾可利用蒸发吸热降低废气中颗粒物的能量，使其容易凝聚成大颗粒并附着在涡轮上，也容易被涡轮甩到冷凝器中进行沉降附着，因此可显著降低排放的废气中的颗粒物含量。
进一步地，所述雾化喷嘴位于所述排气歧管的中心线位置，当发动机排气时所述雾化喷嘴采用喷射后停顿并再次喷射的的双次喷射模式。第一次喷射时，排气歧管中心线位置的温度急剧下降，利用颗粒物的热迁移效应，使得颗粒物集中在中心线附近，第二次喷射时则使得颗粒被水汽包裹，开始颗粒物等凝聚过程。
进一步地，当发动机不排气时，向所述冷凝器中供水以对所述沟槽进行冲刷。对冷凝器进行冲刷可将附着在沟槽中的大颗粒物混合在水中成为泥水并流出至地面，实现了对冷凝器的清洁，也确保这些颗粒物不会排到空气中。
进一步地，当发动机不排气时，同时向所述冷凝器与所述雾化喷嘴中供水以同时对所述沟槽与所述涡轮进行冲刷。由于大颗粒不仅附着在冷凝器中，也附着在总排气管内壁和涡轮上，因此同时开启雾化喷嘴则也可以对排气总管与涡轮进行冲洗。
附图说明
图1为本发明排气管降排系统的组成示意图。
图2为冷凝器内部结构的示意图。
图3为涡轮的示意图。
图4为涡轮中一叶片的示意图。
图5为排气总管涡壳结构的示意图。
图6为本发明排气管降排方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
如图1所示，本发明公开了一种排气管降排系统，可运用于汽车发动机10的排气系统中，能够起到降低发动机10废气中颗粒物含量的作用。发动机10的排气系统包括有排气总管11与若干排气歧管12，排气歧管12的数量与发动机10汽缸数量相同，每一排气歧管12连接一汽缸，若干排气歧管12汇总至排气总管11。另外，排气歧管12中还设有分体式的三元催化器14以对汽缸排出到排气歧管12中的废气进行催化还原的常规处理。
本排气管降排系统包括雾化喷嘴21、涡轮22、冷凝器23、水箱15、第一水泵24以及第二水泵25。其中，水箱15可以是汽车自带的水箱15，通过一定改造后接入到本系统中，也可以是另外增设的水箱15。
雾化喷嘴21设于排气歧管12中，雾化喷嘴21的数量设置为与排气歧管12的数量相同，如图1中，排气歧管12的数量为四个，雾化喷嘴21的数量也是四个，四个雾化喷嘴21分别设置在四个排气歧管12中，且雾化喷嘴21的喷水朝向是逆着排气歧管12中的气体走向的，以使得喷出的水雾能够与废气更充分接触。较佳的，本实施例中雾化喷嘴21的设置位置位于排气歧管12的中心线位置，因此雾化喷嘴21进行喷射时是将水雾喷射到排气歧管12的中心线位置附近。将雾化喷嘴21设置在中间的优点将在下文中提及。当然，雾化喷嘴21的数量并不是必须与排气歧管12数量相同，可以少于排气歧管12数量，即不在所有的排气歧管12中均设置雾化喷嘴21。或者，雾化喷嘴21的数量也可以多于排气歧管12的数量，比如在每一排气歧管12中均设置两个雾化喷嘴21，只要空间大小满足需求即可。
四个雾化喷嘴21通过第一管路26连接至水箱15，第一水泵24设置在第一管路26上，第一水泵24控制第一管路26的开闭，第一水泵24打开时可将水箱15中的水提升至一定水压后供应至雾化喷嘴21，在雾化喷嘴21打开时能形成喷出的水流、水雾。四个雾化喷嘴21与汽车的电子控制单元ECU16电性连接，由ECU16来控制雾化喷嘴21的打开时机。具体的，ECU16与发动机10的正时传感器101及转速传感器102连接以采集发动机10的正时信号和转速信号，从而可以确认发动机10对应汽缸的排气门打开、关闭情况，进而实现对雾化喷嘴21的精确控制。
冷凝器23设于排气总管11远离排气歧管12的一端，冷凝器23用于冷却废气并将废气中的颗粒物沉降吸附。冷凝器23通过第二管路27连接至水箱15，第二水泵25设置于第二管路27上，第二水泵25控制第二管路27的开闭，第二水泵25打开时可将水箱15中的水提升至一定水压后供应至冷凝器23中。需说明的是，图1仅是用于表示本排气管降排系统的结构组成与连接关系，其中各部件的位置并不代表实际产品的位置关系，具体到此处，第二管路27并非是限定连接于冷凝器23的下端。相反的，第二管路27是连接至冷凝器23正常姿态下的顶部位置，因此从第二管路27喷淋入冷凝器23中的水能够覆盖冷凝器23内部的大部分空间。在第二管路27上还设有一滤芯20，滤芯20的位置位于第二水泵25与冷凝器23之间，其作用是对水箱15中抽出的水进行过滤。
涡轮22设置于排气总管11中，其位置在排气歧管12与冷凝器23之间，其转动的轴线大致垂直于排气歧管12的排气方向。当废气通过涡轮22时将推动涡轮22转动，而涡轮22转动时产生的离心力将会把废气中的颗粒物甩向冷凝器23。
参照图2，在冷凝器23内部设有多个沟槽232，这些沟槽232是用于使大颗粒物能够沉降于其中而不会随着废气排出。具体在本实施例中，冷凝器23内部具有多个并排设置的冷凝板231，这些冷凝板231平行于排气总管11的排气方向P，每个冷凝板231的上表面开设有多个沟槽232，多个沟槽232的排列方向与排气方向P相同，而每个沟槽232的延伸方向则垂直于排气方向P。冷凝板231平行于排气方向设置，则废气在排出过程中有充足的时间与冷凝板231接触使更多颗粒物沉降到冷凝板231上，而垂直排气方向P设置的沟槽232则利于将颗粒物限制于其中。假如沟槽232的延伸方向也平行于排气方向P，则沉降在沟槽232中的颗粒物可能在废气的吹动下沿着沟槽232移动并被带出。
在本实施例的其他实现方式中，冷凝器23内也可以通过其它不同方式设置沟槽232，比如不设置冷凝板231而是设置多个细长的管阵列，在管的内壁或外壁设置沟槽232，或者将沟槽232直接设置在冷凝器23壳体内壁，只要冷凝器23中的沟槽232能够使颗粒物沉降即可满足要求。
结合图3、图4，进一步地，涡轮22包括转动轴221以及环绕转动轴221设置并固定在转动轴221上的多个叶片224，叶片224的表面开设有凝结凹槽225。通过在涡轮22叶片224上设置凝结凹槽225，当废气经过涡轮22推动涡轮22转动而降低能量时，会有部分颗粒物附着到凝结凹槽225中，初步降低颗粒物含量。
参照图5，排气总管11的中段呈涡壳结构112，涡轮22设置在涡壳结构112中，涡壳结构112出口与冷凝器23相通。涡壳结构112的内壁沿其延伸方向排布设有凝结凹槽113。废气从排气歧管12中排出后需经过排气总管11排出，因此将排气总管11设置为涡壳结构112不仅为涡轮22提供了安装的结构基础，也增加了废气在排气总管11中的滞留时间，使部分颗粒物能够附着到内部设置的凝结凹槽113上。较佳，排气总管11与排气歧管12连接一端的内壁设有防倒流片114，防倒流片114的一端为连接于内壁的固定端而另一端为自由端，防倒流片114相对内壁呈自由端比固定端更远离排气歧管12的倾斜设置。设置防倒流片114的目的是防止特殊工况下，部分不受控凝结物顺着排气总管11内壁倒流回排气歧管12中而堵塞三元催化器14。
回顾图1，进一步地，本系统还包括发电组件及与发电组件电性连接的蓄电池28，发电组件包括定子291与转子292，其中转子292与涡轮22的转动轴221固定。废气经过涡轮22并推动涡轮22转动时废气中颗粒物的动能将转化成涡轮22的动能，而涡轮22带动转子292相对定子291转动进行发电，进一步将动能转化成了电能储存至蓄电池28中，再用于汽车工作。发电组件的设置可将汽车排出废气的能量进行部分回收，可达到节能效果。
本排气管降排系统的工作过程如下：发动机10排气冲程时汽缸的排气口打开，废气进入相应的排气歧管12中，并通过三元催化器14进行催化还原。此时ECU16控制电控喷嘴21向排气歧管12中喷出水雾，水雾遇到高温废气时将会蒸发汽化，蒸发汽化的过程会吸热。由于废气中的颗粒物是核状漂浮物，因此水雾会快速吸附并剥夺颗粒物悬浮的能量，这样会凝聚和吸附大量的微小颗粒物成大颗粒物。当废气在总排气管中推动涡轮22转动时颗粒物能量进一步被剥夺转化为涡轮22的动能，部分颗粒物也会附着到涡轮22上的凝结凹槽225以及涡壳结构112中的凝结凹槽113上。废气最终经过冷凝器23冷却排出的过程中，大颗粒物继续沉积附着在了冷凝器23内冷凝板231上的沟槽232中。
可见，发动机10排出的废气先后经过了涡轮22、涡壳结构112以及冷凝器23这三处可附着颗粒物的结构，能够有效降低废气中颗粒物含量，且工作方式无需消耗贵金属与稀土，实现了低成本降排的目的，同时也不会增加CO2排放。当发动机10不工作时，第二水泵25打开，水经由第二管路27进入冷凝器23中对沟槽232进行冲刷，大颗粒物将会融合在水中成为泥水一起排出冷凝器23外。
相应的，本发明也提供了一种排气管降排方法，本方法包括以下步骤：
S1：提供设于发动机10排气歧管12中的雾化喷嘴21、设于发动机10排气总管11中的涡轮22以及设于排气总管11远离排气歧管12的一端的内部具有沟槽232的冷凝器23，并将雾化喷嘴21与冷凝器23连接至水箱15；
S2：当发动机10排气时，使雾化喷嘴21向排气歧管12中喷射水雾。
向排气歧管12中喷射水雾可利用蒸发吸热降低废气中颗粒物的能量，使其容易凝聚成大颗粒并附着在涡轮22上，也容易被涡轮22甩到冷凝器23中进行沉降附着，因此可显著降低排放的废气中的颗粒物含量。
较佳地，在步骤S1中，所提供的雾化喷嘴21位于排气歧管12的中心线位置。
在步骤S2中，当发动机10排气时雾化喷嘴21采用喷射后停顿并再次喷射的的双次喷射模式。第一次喷射时，排气歧管12中心线位置的温度急剧下降，利用颗粒物的热迁移效应，使得颗粒物集中在中心线附近，第二次喷射时则使得颗粒被水汽包裹，开始颗粒物等凝聚过程。
更具体的，本排气管降排方法还包括以下步骤：
S3：当发动机10不排气时，向冷凝器23中供水以对沟槽232进行冲刷。
对冷凝器23进行冲刷可将附着在沟槽232中的大颗粒物混合在水中成为泥水并流出至地面，实现了对冷凝器23的清洁，也确保这些颗粒物不会排到空气中。
较佳地，还包括步骤S4：当发动机10不排气时，向雾化喷嘴21中供水以同时对涡轮22与涡壳结构112进行冲洗。
由于大颗粒不仅附着在冷凝器23中，也附着在总排气管内壁和涡轮22上，因此同时开启雾化喷嘴21则也可以对排气总管11与涡轮22进行冲洗。需注意的是，步骤S3与步骤S4之间并无先后关系，可同时执行。
以上，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种排气管降排系统，其特征在于，包括设于发动机排气歧管(12)中的雾化喷嘴(21)与设于发动机排气总管(11)中的涡轮(22)，所述排气管降排系统还包括冷凝器(23)、水箱(15)、第一水泵(24)以及第二水泵(25)，所述排气总管(11)一端与所述排气歧管(12)连通，所述冷凝器(23)设于所述排气总管(11)另一端，且所述冷凝器(23)内部设有多个沟槽(232)，所述第一水泵(24)设于连接在所述水箱(15)与所述雾化喷嘴(21)之间的第一管路(26)上，所述水箱(15)还通过第二管路(27)连接至所述冷凝器(23)，所述第二水泵(25)设置于所述第二管路(27)上。
2.如权利要求1所述的排气管排系统，其特征在于，所述冷凝器(23)内部具有多个并排设置的冷凝板(231)，所述冷凝板(231)平行于所述排气总管(11)的排气方向，所述冷凝板(231)的表面开设所述沟槽(232)。
3.如权利要求1所述的排气管降排系统，其特征在于，所述涡轮(22)包括多个叶片(224)，所述叶片(224)的表面开设有凝结凹槽(225)。
4.如权利要求1所述的排气管降排系统，其特征在于，所述排气总管(11)的中段呈涡壳结构(112)，所述涡轮(22)位于所述涡壳结构(112)中，且所述涡壳结构(112)的内壁设有凝结凹槽(113)。
5.如权利要求1所述的排气管降排系统，其特征在于，所述排气总管(11)与所述排气歧管(12)连接一端的内壁设有防倒流片(114)，所述防倒流片(114)的一端为连接于所述内壁的固定端而另一端为自由端，所述防倒流片(114)相对所述内壁呈所述自由端比所述固定端更远离所述排气歧管(12)的倾斜设置。
6.如权利要求1所述的排气管降排系统，其特征在于，还包括发电组件及与所述发电组件电性连接的蓄电池(28)，所述发电组件包括定子(291)与转子(292)，其中所述转子(292)与所述涡轮(22)的转动轴(221)固定。
7.一种排气管降排方法，其特征在于，提供设于发动机排气歧管(12)中的雾化喷嘴(21)、设于发动机排气总管(11)中的涡轮(22)以及设于所述排气总管(11)远离所述排气歧管(12)的一端的内部具有沟槽(232)的冷凝器(23)，并将所述雾化喷嘴(21)与冷凝器(23)连接至水箱(15)，当发动机(10)排气时，使所述雾化喷嘴(21)向所述排气歧管(12)中喷射水雾。
8.如权利要求7所述的排气管降排方法，其特征在于，所述雾化喷嘴(21)位于所述排气歧管(12)的中心线位置，当发动机(10)排气时所述雾化喷嘴(21)采用喷射后停顿并再次喷射的双次喷射模式。
9.如权利要求7所述的排气管降排方法，其特征在于，当发动机(10)不排气时，向所述冷凝器(23)中供水以对所述沟槽(232)进行冲刷。
10.如权利要求9所述的排气管降排方法，其特征在于，当发动机(10)不排气时，同时向所述冷凝器(23)与所述雾化喷嘴(21)中供水以同时对所述沟槽(232)与所述涡轮(22)进行冲刷。
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