CN202420925U

CN202420925U - 排气采样器

Info

Publication number: CN202420925U
Application number: CN2011205137799U
Authority: CN
Inventors: 张小钢
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2011-12-01
Publication date: 2012-09-05
Anticipated expiration: 2021-12-01
Also published as: US9121328B2; US8341936B2; DE102011086447A1; US20110179769A1; RU121371U1; US20130118148A1

Abstract

本实用新型涉及一种排气采样器，其适于耦合到排气导管中并对在其中流动的发动机排气成分进行采样。该采样器包括具有由弯曲侧表面结合的上游表面和下游表面的封套。上游表面和下游表面每个都与基本垂直于排气导管中心轴线的平面相切。一系列进口在上游表面中形成，且出口在弯曲侧表面中形成。响应排气中成分水平的传感器在导管外围区域耦合在封套中。通过利用该排气采样器，该传感器产生的输出受不均匀的排气成分包影响较小，且更能代表流经排气导管的整体组成。

Description

排气采样器

技术领域

本实用新型涉及机动车工程领域，且更特别地，涉及感测发动机排气成分。

背景技术

机动车的排气系统可包括一个或更多响应以下排气成分的传感器：例如氧化氮(NO_x)、氨气、二氧化碳、微粒、水蒸气、和/或氧气。耦合在排气系统的排气导管中的传感器可用来诊断排放控制的功效，且在一些情形中，用来改变排放控制或发动机系统参数从而改善性能。例如，耦合在选择性催化剂还原(SCR)反应器下游的氨气传感器的输出可用来调节供应给SCR反应器的氨气量。

为了节省空间，限制成本，并加速预热，机动车排气传感器通常是紧凑的小轮廓器件。这意味着传感器可仅采样与其耦合的导管中相对小部分的排气流。然而，流经导管的各种排气成分可不均匀地分布。因此，一些形式的匀质化或多重采样可以是期望的，以便传感器的输出精确反应所感测的成分的面积平均浓度。

一种方法是使部分排气流流经排气采样管，如径向延伸到排气导管的中空管。该管可包括一系列进口，该进口与导管中排气流方向垂直并面对排气流方向设置。进口可在沿导管半径的几个位置接收和采样排气流。采样的排气然后沿管向上移动跨过传感器组件，并通过在管下游侧相反地垂直于流动方向的出口孔排放。然而，该配置仍然不能对排气流中不均匀分布的成分提供充分的采样。

实用新型内容

本实用新型解决了现有技术存在的问题。该公开的一个实施例提供用于感测发动机排气成分的改进方法。该方法包括通过将第一排气流接收到封套中使第一排气流与第二排气流分开。该方法进一步包括导引第一排气流穿过耦合在封套(envelope)中的传感器，并在封套的外表面上导引第二排气流从而产生最小压力(pressure minimum)。该方法进一步包括通过设置在压力最小处的出口从封套中释放第一排气流。另一个实施例提供排气采样器，其适于耦合到排气导管中并对在其中流动的发动机排气的成分进行采样。采样器包括具有由弯曲侧表面结合的上游和下游表面的封套。该上游和下游表面每个都与基本垂直于排气管道中心轴线的平面相切。一系列进口在上游表面中形成，且出口在弯曲的侧表面中形成。响应于排气成分水平的传感器可在导管的外围区域耦合在封套中。利用排气采样器和这里公开的相关方法，该传感器产生的输出受不均匀的排气成分包(pocket)影响较小，且更能代表流经排气导管的整体组成。

根据本实用新型的另一实施例，提供一种排气采样器，其适于耦合到排气导管中并对在其中流动的发动机排气成分进行采样，其特征在于该采样器包括：沿第一方向延伸到导管中的第一管，该第一方向垂直或倾斜于导管的中心轴线，第一管具有在导管外部的第一端、在导管内部的第二端和由弯曲侧表面结合的上游表面和下游表面；在上游表面中形成的一系列进口；在弯曲侧表面中形成的出口；沿与第一方向不同的第二方向延伸到导管内的第二管，第二管与第一管相交从而限定共享的内部空间；以及传感器，其耦合到第一管的第一端，该传感器响应于排气成分的水平。

上面提供的实用新型内容以简化的形式引入选择的部分，而不是为了表明关键或本质特征。要求保护的主题由权利要求限定，既不限于该实用新型内容的内容，也不限于解决这里指出的问题或缺点的实施方式。

附图说明

图1示出根据本实用新型实施例的示例发动机系统的多个方面。

图2示出排气导管横截面上假设的不均匀排气成分分布。

图3是根据本实用新型实施例的示例性排气采样器的多个方面的比例图。

图4示出围绕具有圆形横截面的管的流体流。

图5用曲线图示出根据图4中所示结构的流体动力学计算的结果。

图6示出根据本实用新型实施例感测发动机排气成分的示例性方法。

具体实施方式

下面通过例子并参考上面列举的被图示说明的实施例说明本实用新型的各方面。在一个或更多实施例中基本相同的组件、程序步骤和其他元素一致地标识并被最低程度地重复描述。然而，应该指出，一致标识的元素可在一定程度上不同。除非另外指出，包括在本实用新型中的附图是示意性的且没有按比例。不同的绘制比例、纵横比和图中所示的组件数目可有意失真从而使一些特征或关系更易于看到。

图1示意示出发动机系统10的多个方面。该发动机系统包括发动机12和控制器14。发动机接收空气和燃料并产生机械功驱动机动车。控制器可以是发动机系统10或安装了发动机系统的机动车的任何电子控制系统。控制器可被配置为实施本文提到的各种功能和操作以及其他功能。例如控制器可被配置为控制发动机的各种组件的操作，如燃料喷射器、节气阀、点火系统、排气再循环(EGR)阀门等等。

在燃烧燃料和产生机械功时，发动机12排出排气。排气是从发动机的排气歧管经排气导管16排放的。排气通过排气导管流入不同发动机系统组件。例如，排气导管可传导一些或所有排气到排气驱动涡轮。涡轮可机械耦合到涡轮增压压缩机。涡轮增压压缩机可被配置为提升在所选条件下提供给发动机的进气压力。进一步，排气导管可传导一些排气到发动机系统10的EGR系统，排气的受控部分通过EGR系统混合到进气中。

在图1的实施例中，排气导管16传导一些或所有排气到排气后处理装置18A和18B。排气后处理装置的性质、数目和结构在本实用新型的不同实施例中可以不同。一般地，排气后处理装置可包括至少一种催化剂，该催化剂被配置为催化处理排气流，且因此还原排气流中一定量的一种或更多物质。例如，一种催化剂可被配置为在排气流稀贫时从排气流中捕获氧化氮(NO_x)，并且在排气流富集时还原捕获的NO_x。在其他例子中，催化剂可被配置为歧化(disproportionate)NO_x或借助还原剂选择性还原NO_x。在其他例子中，催化剂可被配置为氧化排气流中残余碳氢化合物和/或一氧化碳。进一步，至少一种排气后处理装置可包括起燃催化剂和/或三元催化剂。具有这类功能的不同催化剂可独立地或一起设置在排气后处理装置中的中间层/载体涂料(wash coat)中或其他地方。

排气后处理装置可包括可再生柴油微粒过滤器(DPF)或碳烟过滤器。碳烟过滤器可包括在所选条件下促进累积的碳烟氧化的催化剂中间层。催化剂中间层也可具有其他排放控制功能，如上面所述。在一个特定实施例中，催化剂中间层可包括NO_x还原催化剂，其中在NO_x还原过程中形成的“活性氧”有助于碳烟氧化。

在排气后处理装置受到活性控制实施例中，如活性尿素加入SCR反应器，这样的控制可经控制器14提供。因此，图1示出控制器14可操作地耦合到装置18A，该装置18A为此可包括SCR反应器或尿素注射器。

图1示出耦合到排气导管16中的排气传感器20。排气传感器可响应排气中成分的水平提供输出，如电流或电压。排气传感器可操作地耦合到控制器14，即，控制器从传感器接收输出电流或电压。

在装置18A被配置为还原NO_x的实施例中，排气传感器可以是NO_x传感器。传感器的输出可由控制器14用来诊断NO_x控制的功效。传感器可以以闭环方式使用，例如，输出可用来影响EGR流速或可调整阀门正时从而保持NO_x的水平在可接受限值内。在另一个实施例中，装置18A包括SCR反应器，其被配置为用尿素或氨作为还原剂还原NO_x，排气传感器可以是氨传感器。传感器的输出可由控制器14用来检测氨泄漏或调整还原剂剂量以便氨泄漏可保持在最小的程度。在另一个实施例中，装置18A包括可再生碳烟过滤器，排气传感器可以是用来诊断碳烟过滤器功效的微粒物质(PM)传感器。在另一个实施例中，排气传感器可以是由控制器14以闭环方式用来控制再生过程中供应给碳烟过滤器的氧的氧传感器。对于这个和其他目的，控制器可确定排气的氧含量并通过改变燃料喷射、空气吸入和/或EGR控制排气中的氧含量。在又一个实施例中，排气传感器可以是二氧化碳传感器、水蒸气传感器等等。

图2示意示出排气导管16横截面上排气成分的假设的不均匀分布。该图示出包(pocket)22，其中NO_x浓度低于横截面中面积平均的NO_x浓度。该图也示出包24，其中氨浓度大于横截面中面积平均的氨浓度。成分不均匀分布可源自雾化尿素溶液在排气流中不完全混合，或源自溶液冷却部分排气流时产生的温度梯度。额外温度和密度梯度可源自一部分在催化剂床上流过的排气和在催化剂床周围或下面流过的其他部分排气。此种在上游排气后处理装置中形成的梯度可携带到下游装置，导致不均匀分布传播通过各排气系统组件。

排气成分的不均匀分布可限制传感器20的输出反映其感测的面积平均的成分浓度的程度。这是因为传感器通常是响应局部浓度的紧凑的、小轮廓器件。进一步地，传感器仅在直径为2.5到6英寸的排气导管中延伸一个短深度，如大约1英寸。

因此，现在回到图1，排气系统10包括排气采样器26，其耦合排气传感器20到排气导管16中。排气采样器被耦合到排气导管16中并被配置为采样流经其中的发动机排气。排气采样器可以以任何合适方式可密封地耦合到排气导管16。

图3更详细地示出排气采样器26的一个实施例的多个方面。图3按比例示出特定实施例。然而，应该理解，本实用新型完全包括的其他实施例允许部件的其他尺寸、数目等等。所示排气采样器在排气导管16从上游示出，即，沿排气导管的中心轴线向下游看。在所示实施例中，排气采样器是具有由弯曲侧表面结合的上游和下游表面的封套。在图3中，上游表面标记A，侧表面标记C和D。上游和下游表面每个都与基本垂直于导管16的中心轴线的平面相切。

排气采样器26包括沿第一方向的径向延伸到排气导管16中的第一中空管28。在图3的实施例中，第一方向垂直于导管的中心轴线；在其他实施例中，其可倾斜于中心轴线。进一步，虽然在图3中垂直示出，在其他实施例中，第一管可相对排气导管的中心轴线旋转任意量。

第一管28具有在排气导管16外部的第一端和在排气导管内部的第二端。第一管的第一端称为控制端(boss end)，在此处耦合有排气传感器20。第一管的相对的内部端可以是闭合的。在所示实施例中，第一管具有环形横截面。在其他实施例中，横截面可以是椭圆的或具有任何其他合适的形状。

在图3的实施例中，排气采样器26也包括第二中空管30，其沿与第一方向不同的第二方向在排气导管内延伸。在所示实施例中，第二管被排气导管完全包围。如同第一管，第二管也可具有圆形或椭圆形横截面。然而，第二管的两端可以闭合。第二管与第一管交叉从而限定共享的内部空间。在所示实施例中，第一和第二管以直角相交。

在图3的实施例中，排气采样器26包括一系列在上游表面A上沿第一管28和第二管30分布的进口32A至32K。因此，进口垂直并面向于排气导管16中排气流动方向设置。以该方式，排气易于传导到排气采样器的内部空间中。排气采样器也包括在第一管的弯曲侧表面C和D中形成的出口34A和出口34B。在所示实施例中，弯曲侧表面绕封套导引排气流，在出口处诱导最小压力。因此，第一排气流通过该系列进口被接收并通过出口被释放。传感器20设置在流体地位于进口和出口之间的第一排气流中。

如图3所示，该系列进口包括第一进口32A和第二进口32B，第二进口比第一进口大并且相对于出口34A和34B比第一进口设置地较远。在一个实施例中，每个进口的面积可与进口和出口之间的距离成比例。在图3的实施例中，各进口的直径为：进口32A为3.6毫米(mm)，进口32B为3.8mm，进口32C为4.2mm，进口32D为4.0mm，进口32E、32H和32J为4.55mm，进口32F、32G和32K为5.0mm。在这些实施例中，进口增加的尺寸补偿了由较长的流动路径引起的流动阻力的增加。结果，更均等的排气质量流可通过每个进口接收。因此，尽管与出口和传感器的距离不相等，也可以基本相等的速率从排气导管16的不同区域对排气进行采样。在图3的实施例中，每个进口接收通过出口的组合质量流的6％到16％。

这里公开的配置额外的优点可从图4和图5中明显看出。图4示出绕管的流体流，如第一管28或第二管30。图4中标记A的位置对应于上游表面，标记B的位置对应于在管的相反侧上的下游表面，且标记C和D的位置对应于管的弯曲侧表面。

图5用曲线图示出基于图4中结构的流体动力学计算结果。该结果表明从上游表面到下游表面绕管的气流引起沿管外部的静态压力变化——即，相对管内的气流静止。进一步地，静态压力的最大差是从上游流动区A到外部侧区C和D中任一个，而非下游流动区B。换句话说，在点A和C之间的流动势能比A和B之间的大。在一些情形中，相对出口设置在下游表面B的其他类似配置中，这可导致通过管的排气流速率增加15％。因此，这里公开的排气采样器的进口和出口被定位成利用该效果。

上面描述的配置使得能够实现感测发动机排气成分的不同方法。因此，一些此类方法是通过示例继续参考上面的配置而得到说明的。然而，应该理解，这里公开的方法和完全在本实用新型范畴内的其他方法也可由其他配置实现。自然，这里所述和/或所示的一些程序步骤在一些实施例中可省略，而不偏离本实用新型的范畴。类似地，实现目标结果不必总是要求按照所示程序步骤的顺序，提供这些顺序是为了易于图示和说明。根据使用的特定策略，一个或更多所示动作、功能或操作可重复执行。而且，这里公开的不同控制和估计程序可包括一个或更多不同处理策略，如事件驱动的、中断驱动的、多任务、多线程等等。类似地，至少一些被公开的程序步骤(操作、功能和/或动作)可表示被编程到控制器内计算机可读存储介质中的代码。

图6示出一个实施例中感测发动机排气成分的示例性方法36。在38，排气流在封套上游被传导通过排气导管。如上所述，封套可以是排气采样器的表面。在40，通过接收第一排气流到封套中，第一排气流与第二排气流分开。在该情形中，第一和第二排气流仅是与封套上游的组合流分开的第一和第二分流。接收第一排气流到封套中可包括通过在封套上游表面中形成的一系列进口接收，在此处与上游表面相切的平面基本垂直于排气导管的中心轴线。借助该配置，第一排气流是从排气导管的不同区域接收到封套中的。进一步地，排气可从较远离出口的导管区域以较小的限制接收，并且从较靠近出口的导管区域以较大的限制接收。这样的限制可通过控制进口的相对尺寸而控制，如上所述。

在42，第一排气流被导引穿过耦合在封套中的传感器；传感器被配置为其输出响应感测的第一排气流中成分的量而变化。因此，导管中排气经采样策略输送给传感器。例如，导管中排气可沿彼此既不平行也不平行于导管中心轴线的第一和第二方向采样。

在44，第二排气流(第一排气流分离出后的剩余排气流)在封套的外表面上被导引，从而产生最小压力。在一个实施例中，最小压力可在封套的弯曲侧表面处产生，在此处与侧区域相切的平面与导管中心轴线平行或向其倾斜。

在46，第一排气流通过设置在压力最小处的出口从封套释放。在一个实施例中，第一排气流可从彼此相反设置的两个出口释放。在48，第一和第二排气流在封套下游合并在排气导管中。

在50，发动机系统操作基于传感器的输出而被改变。在一个具体实施例中，由传感器感测的成分可以是氨。因此，该方法可用来控制还原剂剂量，且因此控制装配了SCR反应器的发动机排气系统的氨减少。因此，该方法可进一步包括响应传感器输出控制提供给设置在封套上游的SCR反应器的还原剂剂量。方法36在50处返回。

最后，应当理解，上述产品、系统和方法是本实用新型的实施例，而非限制性示例，对于这些实施例，也可预期到无数变化和扩展。因此，本实用新型包括这里公开的产品、系统、和方法以及它们的任意和所有等同物的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。

Claims

1.一种排气采样器，其适于耦合到排气导管中并对在其中流动的发动机排气成分进行采样，其特征在于，该采样器包括：

封套，该封套具有通过弯曲侧表面结合的上游表面和下游表面，所述上游表面和下游表面每个都与基本垂直于所述排气导管中心轴线的平面相切，一系列进口在所述上游表面中形成，并且出口在所述弯曲侧表面中形成。

2.根据权利要求1所述的采样器，其特征在于，所述弯曲侧表面绕所述封套导引排气。

3.根据权利要求1所述的采样器，其特征在于，所述系列进口包括第一进口和大于所述第一进口的第二进口，且其中所述第二进口比所述第一进口距所述出口的距离更大。

4.根据权利要求1所述的采样器，其特征在于，所述每个进口的面积与所述进口和所述出口之间的距离成比例。

5.根据权利要求1所述的采样器，其特征在于，进一步包括在所述导管外围区域耦合在所述封套中的传感器。

6.根据权利要求5所述的采样器，其特征在于，所述传感器设置在流体地位于进口和出口之间的所述第一排气流中；其中所述封套包括沿第一方向延伸到所述导管中的管，其中所述管具有在所述导管外部的第一端和在所述导管内部的第二闭合端，且其中所述传感器耦合到所述第一端。

7.根据权利要求6所述的采样器，其特征在于，所述第一方向垂直或倾斜于所述排气导管的中心轴线。

8.根据权利要求6所述的采样器，其特征在于，所述管包括圆形或椭圆形横截面，其中所述管是第一管，且其中所述封套包括在所述导管内沿与所述第一方向不同的第二方向延伸的第二管，且其中所述第二管与所述第一管相交从而限定共享的内部空间。

9.一种排气采样器，其适于耦合到排气导管中并对在其中流动的发动机排气成分进行采样，其特征在于，该采样器包括：

沿第一方向延伸到所述导管中的第一管，该第一方向垂直或倾斜于所述导管的中心轴线，所述第一管具有在所述导管外部的第一端、在所述导管内部的第二端和由弯曲侧表面结合的上游表面和下游表面；

在所述上游表面中形成的一系列进口；

在所述弯曲侧表面中形成的出口；

沿与所述第一方向不同的第二方向延伸到所述导管内的第二管，所述第二管与第一管相交从而限定共享的内部空间；以及

传感器，其耦合到所述第一管的所述第一端，该传感器响应于所述排气成分的水平。

10.根据权利要求9所述的采样器，其特征在于，所述第一管和所述第二管每个都包括圆形或椭圆形横截面。